桥墩防船撞Y形夹层结构耐撞性研究*

许明财 蔡 昆 汪 衡 潘 晋

(华中科技大学船舶与海洋工程学院1) 武汉 430074) (武汉力拓桥科防撞设施有限公司2) 武汉 430040)(武汉理工大学交通学院3) 武汉 430063)

桥墩防船撞Y形夹层结构耐撞性研究*

许明财1,2)蔡 昆1)汪 衡1)潘 晋3)

(华中科技大学船舶与海洋工程学院1)武汉 430074) (武汉力拓桥科防撞设施有限公司2)武汉 430040)(武汉理工大学交通学院3)武汉 430063)

针对传统钢套箱吸能效果不明显的问题，设计了一种Y形夹层结构桥梁防船撞设施.建立防撞设施和船舶有限元模型，并对船舶撞击防撞设撞过程进行数值模拟.基于数值仿真分析结果，通过对比传统钢套箱和新型夹层结构防撞设施的耐撞性、结构损伤、撞击力折减.结果表明,新型夹层结构具有更好的耐撞性，撞击力对撞击位置不敏感，具有良好的防撞效果.

船舶；桥梁；碰撞；耐撞性；夹层结构；复合材料

0 引 言

当船舶直接撞击桥墩时，由于桥墩的刚度较大，不能有效地吸收船舶的动能[1].文献[2]要求通航水域中的桥墩的撞击力宜按专题研究确定.应比较增强结构自身抗撞能力和采用附加防撞设施两种方案，宜采用增强结构自身抗撞能力的方案，方案不可行时可考虑增加防撞设施.桥梁防撞设施的作用就是保护桥梁，减小船舶撞击力，吸收船舶的动能.

国内外的专家学者也做过大量研究，各防撞设施的材料和结构形式对耐撞性及撞击力有很大影响.为了研究钢夹层结构的耐撞性，Klanac等[3]对10种不同的夹层进行了分析.结果表明Y形钢夹层结构具有良好耐撞性能和吸能潜力.此外，Wevers等[4-5]对钢夹层结构进行了碰撞试验.潘晋等[6]采用有限元方法模拟了广东崖门大桥的桥墩钢套箱防撞装置与船舶之间碰撞，分析了防撞装置的影响因素.Peng等[7]对具有桩墩支撑的防撞钢套箱进行了数值仿真计算，提出增加橡胶层能明显降低碰撞力峰值.

但传统的钢套箱防撞设施的耐撞性和撞击力对撞击点很敏感，其吸能效果很不稳定[8].因此，文中设计了一种新型的Y形夹层结构防撞设施，通过数值模拟对不同结构形式进行分析.结果表明，Y形夹层结构可以较好的分散船撞力，同时提高结构自身的耐撞性.

1 分析模型

1.1 船舶主尺度

文中以10 000 t散货船为例，其总长134.42 m、水线长129.0 m、垂线间长126.0 m、型宽19 m、型深9 m，吃水6.75 m，设计排水量为13 645 t，船首基本结构图见图1.

图1 船艏基本结构图

1.2 防撞设施结构尺寸

传统的钢防撞设施内部结构主要是由多个舱壁组成(见图2a))，吸能效果不理想.Xu等[9]对Y形夹层结构进行了冲击试验，结果表明改结构形式具有良好的耐撞性.为了提高防撞结构的吸能效果，文中设计新型Y形夹层防撞设施，见图2b).由于球鼻首产生的撞击力很集中，为了使更多结构参与吸能，在外表明增加了聚氨酯材料，见图 2c).

图2 防撞设施剖面图

1.3 有限元模型

由于船舶撞击桥梁是高度非线性动态响应过程，因此，用简单的数学模型很难描述清楚，文中采用有限元法研究结构的耐撞性能.有限元模型包括防撞设施和船体两部分，见图3a).

对于船体模型，模型与实际几何尺寸按照1∶1建立有限元模型，船舶采用梁单元、板单元及壳单元进行模拟.考虑到船首结构形式对撞击力影响较大，因此，船首结构采用精细网格，其他部分采用粗略网格，而对船体的平行中段后面非碰撞区的船壳进行一定程度的简化，从而达到减少计算时间的目的.船首单元最大尺寸为0.25 m，其余部分最大单元尺寸为0.5 m,整个船体的单元总数为78 452[10].船首中纵剖面有限元模型见图3b).考虑到要使整船的重量达到设计吃水，对船体模型的质量分布进行合理配重，使整个模型的质量、重心与实船设计吃水时的情况相当.防撞设施网格大小0.2 m，单元总数66 377个，其有限元模型，见图3c).假设桥墩为刚性，网格大小为0.6 m.

图3 有限元模型

1.4 材料模型

碰撞是一个短时间内复杂的非线性动态响应过程[11]，材料的动力特性对碰撞过程影响较大，因而，不能忽略[12].而对于船用低碳钢，其塑性性能受应变率的影响非常明显，随应变率的增加，低碳钢的屈服应力和拉伸强度极限都会增加，所以需要在材料模型中引入应变率敏感性的影响[13].考虑材料应变率敏感性的本构方程有很多，文中采用与实验结果吻合度较高的Cowper-Symonds本构方程.

(1)

材料的失效判定非常复杂，文中采用最大塑性失效应变来定义材料的失效.最大塑性失效的失效条件为：结构单元的等效塑性应变达到定义的单元最大塑性失效应变；一旦单元被判定失效，该单元将不再参与后续的计算.根据所建立模型的单元大小，材料的最大塑性失效应变取0.34.钢材料参数取值如下：密度为7 860 kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.27，屈服应力为310 MPa，剪切模量为763 MPa，硬化参数为0.聚氨酯材料采用实体单元，其密度为1 150 kg/m3，剪切模量为1 040 MPa.

1.5 载荷和边界条件

由于船舶碰撞运动主要是纵荡，不考虑水的运动效应，采用附连水质量系数0.07来计入周围流体的作用[14].不约束船体的转动与平动自由度，并施加初始速度.桥墩考虑为刚体，忽略桥墩和基础的变形.考虑船舶撞击正撞桥墩、以及正撞防撞设施正面和侧边的工况.

2 结果分析

Pan等[15]通过自动识别系统(AIS)数据对长江武汉流域的船舶进行统计获得的水流速度和平均船速分别取1.72 和3.44 m/s.下面分析三种防撞设施的减小碰撞力的效果.计算结果见表1.

对于传统单层防撞设施(A)，当撞击点在正中间和侧边时，桥墩受到的撞击力相差比较大.当船速为1.72 m/s时，撞击点在侧面的撞击力是正面的2.9倍，当船速为3.44 m/s时，撞击力在侧面的撞击力是正面的4.2倍.由图4可知，刚开始时单层舱壁的防撞设施的碰撞力很小，然后急剧上升.主要原因船舶撞穿传统单层舱壁防撞设施，然后与桥墩直接接触，单层舱壁防撞设施不能有效地保护桥梁.

表1 计算工况及结果

注：R-撞击刚性桥墩;A,B,C-撞击对象为三种防撞设施；撞击位置，1-正中间，2-侧边；V-撞击速度；Fmax,Fmean-桥墩受到的最大和平均碰撞力；δ-撞深；V1=1.72 m/s,V2=3.44 m/s.

图4 时间-碰撞力曲线

对于侧边最大撞击力达到了60.3 MN，仅比船舶直接撞击桥墩力减少了8%.而在实际中，船舶有可能撞击防撞设施的任何位置，单层舱壁防撞设施减小碰撞力效果不明显，对撞击点很敏感.而船舶撞击在Y形夹层结构的正中和侧边的撞击力差别不大，即碰撞点的位置对最后碰撞力的影响不大.此外，Y形防撞设施使用钢材传统防撞设施多使用17.15%的钢材，但撞击力却多减少了40.2% .

图5～6为最大撞深时的应力云图.当船速较高时，传统单层舱壁防撞设施在经受船舶撞击后，结构破坏非常严重，单层舱壁几乎被撞成两半，基本报废，需要重新更换防撞设施.Y形防撞设施也产生了破坏，只有前端较大形变.而且应力分布均匀，说明有更多的结构参与吸能.内部主体结构保持较好的完整性，可以降低后期的维护成本.

图5 防撞设施应力云图(撞击中间，V=3.44 m/s)

图6 防撞设施应力云图(撞击侧边，V=3.44 m/s)

图7为不同船速下两种Y形防撞设施(B，C)的撞深-碰撞力曲线.当撞深较小时，加设聚氨酯层会增大，但撞击力能够满足桥梁抗撞要求.因为聚氨酯层使结构整体变形，提高整体的耐撞性，同时分摊更多的碰撞力，因此，能更有效的减小船舶速度，减小防撞设施自身损伤.

图7 撞深-碰撞力曲线(Y形夹层)

但当撞深较深时，没有加设聚氨酯层的Y形防撞设施的碰撞力会突然急速上升，因为之前防撞设施吸收的船舶动能较少，Y形防撞设施碰撞后船仍有0.12 m/s的速度,见图8.而改进Y形防撞设施船速出现负值，说明船舶发生反弹.

图8 船速变化曲线

3 结 论

1) 单层舱壁防撞设施防撞效果对船舶撞击点较敏感，撞击点位置不同，防撞效果差别巨大.

2) 与单层舱壁防撞设施相比，Y形防撞设施具有更好的耐撞性，吸能效果对撞击点不敏感.

3) 加设阻尼块和聚氨酯层能更有效率地吸收船舶动能，提高整体的吸能效果.同时很好的减小防撞设施表面破坏，降低后期的维护成本.

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[3] KLANAC A, EHLERS S, TABRI K, et al. Qualitative design assessment of crashworthy structures[J].Maritime Transportation and Exploitation of Ocean Coastal Resources,2005(1):26-30.

[4] WEVERS L J, VREDEVELDT A W. Full scale ship collision experiments: TNO-report 98-CMC-R0359[R].Delft: TNO,1998.

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[6] 潘晋，吴卫国，王德禹，等.船-桥墩防护装置碰撞中的影响因素研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2005,29(4):538-541.

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Study on Crashworthiness of Y-shape Sandwich Structure for Protecting Bridge Piers Against Vessel Collision

XUMingcai1,2)CAIKun1)WANGHeng1)PANJin3)

(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)1)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd.,Wuhan430040,China)2)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)3)

Since the traditional steel boxed cofferdams for the protection of bridge pier have the disadvantage of absorbing energy, a new Y-shape sandwich structure is designed. First, the FE models of Y-shape sandwich structure and vessel are modeled to simulate the process of collision between the protective structure and vessel. According to the numerical results, the crashworthiness, damage and reduction of impact force acting on the bridge pier are compared between the traditional steel boxed cofferdams and new Y-shape sandwich protective structures. The results show that the designed Y-shape sandwich structure can provide better crashworthiness and has less sensitive to the impact position.

vessel; bridge; collision; crashworthiness; sandwich; composite

U443.26

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.004

2017-10-03

许明财(1978—)：男，博士，副教授，主要研究领域为工程结构与力学

*国家自然科学基金项目(5167090447，51609192)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015MS103,2017IVB007)资助