工程船与桥墩碰撞响应场景研究初探

黄仪平

进才中学

1 引言

本文所研究的8000t 工程船与桥墩碰撞场景的研究属于近靠浮体水动力问题，从上世纪以来对此问题的理论研究已十分深入。利用AQWA软件探讨主尺度相差较大的大型船舶与桥墩在小间隙状态下直接水动力相互作用是此次分析的要点。AQWA 主要应用于解决浮体在各类环境载荷（包括风、浪、流载荷）作用下的运动响应、系泊定位、海上安装作用、船舶航行以及波浪载荷等问题，本文将该方法应用于某8000t工程船与桥梁碰撞场景研究。分别建立工程船单独情况下不同工况的水动力模型以及工程船靠近桥墩的水动力双体耦合模型，利用频域水动力分析求解工程船舶及桥墩浮体结构的静水刚度、附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力（包括绕射力）并通过设计波的创建，结合海浪谱，重点分析其横荡和纵荡速度加成时的响应极值。本文研究的方法可在工程上提供一定的借鉴意义，为碰撞场景响应的标准化研究提供实际应用经验。

2 模型参数及设计波选择

2.1工程船及桥墩浮体模型参数

距统计，我国近海大多数工程船排水量在8000吨级左右，因此本文选取一艘同量级的工程船作为研究对象，在不同工况下进行分析计算；桥墩浮体以排列形式靠置于船体模型附近。坐标轴选用笛卡尔坐标系，x正向指向船艏，y轴正向指向右舷，z轴正向竖直向上，水动力模型计算其附加质量及阻尼矩阵。表1为船体数据，图1为模型及碰撞场景。通过船体的水动力模型，利用频域水动力分析获得工程船舶及桥墩浮体结构的静水刚度、附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力（包括绕射力），为计算船体运动的频率响应传递函数（RAO）做准备。

表1 船体参数

图1 船桥碰撞场景响应模型

2.2 设计波及其碰撞场景参数设定

为探究由于桥墩浮体存在对船体在波浪下的运动响应影响，我们首先对船体的单体模型进行水动力分析计算。当船体靠近桥墩浮体时，在y 方向上间距8m。此间隙对于船体模型尺寸来说可以定义为小间隙。因此，在水动力计算时，对此处网格要精细划分以保证计算的精确度。

海浪被视为由无限个频率、方向、振幅及相位不同的简谐波叠加而成的不规则波，这些特征在海浪谱中可以体现。船舶在航行时可以认为是处于随机海浪下的运动，此时波浪载荷随机且复杂变化，难以进行精确计算。设计波的功能和效用就是等效设计出一系列规则波施加于船体上，而这些设计波的叠加正好能满足一定概率水平下的海浪遭遇概率。而设计波由系列规则波组成，通过对正弦规则波的波高、跨零周期、有效入射浪向角以及波浪的相位组合，设计出一组或多组波浪条件满足一定超越概率下，船体所在海域所能遭遇的实际海浪条件。

本文一方面采用确定性设计波法，确定性设计波的特征参数由波陡确定，波幅与对应的RAO的乘积即为所要求的载荷预报极值。确定性设计波法的设计波采用波陡计算式，该波陡是整个设计波的核心参数，一般由长期的海洋环境统计资料数据通过拟合的概率曲线获得的，如下式：

取SS= 0.07， 计算设计波波高HS，跨零周期TZ时，应考虑到实际海况，计算有义波高最大取至15m，HS从1 取至15m 间隔0.5m。

另一方面，在进行确定性设计波法之后，我们采取随机性设计方法，它应用了随机海浪谱对海洋环境进行分析，同时这种方法称为谱分析法。因为这种方法充分考虑到了随机这个概念，在工程应用而言，这种方法比确定性方法更为合理和科学。谱分析方法是一种给定短期预报最有效的方法，结合合适的海浪谱和RAO谱生成响应谱，其计算式如下式：

式中：

SR(ϖ)——为响应；

SW(ϖ)——为波浪谱。

响应谱满足瑞利分布，根据响应谱的n阶距：

式中：

mnR——为运动响应的方差。

一般认为短期海况符合窄带的瑞利分布，船体的波频运动也近似处理为瑞利分布，这样便可求得的运动及速度的有义值。选取海浪谱，利用线性插值法获得某海域下的波浪条件作为设计波进行水动力分析。

3 单船运动响应模型

3.1 单船运动RAO

RAO 也称作传递函数，它反应了波浪激励船体运动的表现形式，可以得到单位幅值波浪激励下工程船的运动响应，由此分析船体的水动力性能。

图3

结合波浪散布图取法的设计波谱，获得相应波高及周期数据，利用AWQA生成波浪谱，结合横荡及纵荡响应传递函数RAO获得响应谱，再利用其分布统计特征，求得单船工况下的响应速度极值。

3.2 船-桥运动响应模型

由于桥墩浮体的存在，入射波在遭遇到船体的同时也会遭遇到桥墩多浮体的影响，这样便会产生除了船体自身的辐射势、绕射势之外的运动响应速度势。这些速度势包括了由桥墩浮体在遭遇到波浪后所产生的反射势，桥墩浮体自身的绕射势等。这些速度势的叠加会对船体自由震荡产生效果，即船体在单位幅值波浪激励下工程船的运动响应RAO会发生变化。此时，结合对应的海浪谱所得到的响应谱也会有所差异，最为关心的船体横荡速度极值的变化成为了桥墩浮体存在下的变量条件。通过计算分析，得到桥墩浮体存在情况下从船体运动响应传递函数RAO。由结果可以分析得到，相对于单体模型RAO 响应，耦合模型的RAO 发生了较为明显的变化。六个自由度上RAO 峰值都有明显的升高，横荡、纵摇的RAO 在波频30～40s 时受反射势、绕射势等影响出现了突变现象。由单船模型数据可知，为简化模型，船桥碰撞时重点考虑横荡速度对船桥运动响应的影响。由结果得知，在相同的波浪谱条件下，横荡速度极值随波高的增加呈线性增长，船桥运动的速度响应极值相比于单船运动有较为明显的升高。由结果明显得到船体在相同的波浪谱条件下，船桥模型的横荡速度极值有较为明显的升高。对于一般过程的船体而言，速度的增幅不仅仅代表了速度本身，随着船舶越来越大型化，大质量的前提下发生的碰撞，其动能的增量是非常巨大的，对于碰撞所产生的后果也是不可估量的。

4 创新点及应用

通过上述分析，分别对单船运动和船桥运动两种响应模型的分析，可得到如下结论：（1）在相同的波浪谱条件下，横荡速度极值随波高的增加成线性增长，船桥运动的速度响应极值相比于单船运动有较为明显的升高。（2）船桥运动响应因流体发生耦合，其响应速度极值发生了较为明显的变化，六自由度上RAO峰值有明显的升高，其中，横荡、纵摇的RAO 在波频30s～40s 时受反射势、绕射势等影响出现了突变现象。（3）速度响应的突变对于千吨级的大质量船舶而言，发生碰撞的动能增量巨大，随着船舶速度的增加对应的动能将会更大，对桥墩的冲击力将会更大，这对桥墩的结构强度要求提出了更高的要求。(4)对于同种类型船舶，本文所研究的8000t级工程船的速度响应可供工程实际参考。国内研究碰撞场景的方式大多基于特定领域的某一特定事故发生之后进行分析，无法提前对船桥碰撞的不确定性风险进行预报，本文具有一定借鉴作用。在国内未有成体系的标准研究供桥墩进行结构强度校核，本文试验经验可供参考。

5 结束语

通过分别对单船和船桥模型响应场景分析可知，当船体靠近桥墩浮体时，由于桥墩浮体得到存在，会对船体在波浪中的运动特性发生较为明显的变化。在结合相应海浪谱分析响应速度极值时，速度响应会发生较为明显的变化，对于大质量的船舶而言，这个速度增加对应的动能将会更大，对桥墩的结构强度要求提出了更高的要求。