白果渡嘉陵江大桥防撞装置的防撞性能研究

余 葵，程 明*，彭炳力，张 聪，杨小岳

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学 重庆市桥梁通航安全与防撞工程技术研究中心，重庆 400074)

近年来，我国经济建设发展迅速，交通运输事业蓬勃发展，兴建了大量跨江、跨河的桥梁，一方面给人们生活带来了便利，另一方面也带来了一些安全隐患。同时随着航运业的快速发展，船舶种类日益增多，船桥碰撞事故也在不断增加。虽然船桥碰撞属于小概率事件，但是一旦发生，就会导致水运交通瘫痪和人民生命财产的重大损失[1-3]。因此，确定船舶撞击力以及其防撞装置的防撞性能，一直成为许多专家关注的问题。

随着科学技术不断发展，计算机技术逐渐成熟，有限元数值模拟方法已经广泛应用在船桥碰撞问题上。张淑华等[4]利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了5 000 t件杂货船与30 000 t高桩码头的碰撞过程，得到了在不同速度下桩基的破坏情况和承载能力。王皓磊等[5]通过模拟3 000 t船舶撞击桥墩的过程，将结果与经验公式比较，发现经验公式计算的结果离散性较大。刘伟庆等[6]采用了质点弹簧模型，通过建立船桥碰撞动力方程，发现了桥墩与船艏刚度比值小于50时与撞击力峰值呈对数增大。付旭辉等[7]计算了船舶的撞击力和桥墩的抗撞力，发现了美国ASSHTO规范计算的结果与数值模拟较为接近，并验证了珠海淇澳大桥满足防撞要求。阙水杰等[8]分析了3种不同的桥墩建模方式对船桥碰撞过程中的影响，得出了建模方式对有限元仿真结果影响很小的结论。张景峰等[9]研究了驳船和散装货轮撞击力的变化规律，研究结果发现船艏几何形状和内部构造不同对撞击力有较大影响。冒一峰等[10]结合工程实例，提出了船桥碰撞过程中复合材料防船撞系统的设计理念，能够有效保护桥墩安全。鲍莉霞等[11]深入研究了不同波纹板布设方向、波纹板厚度和面板厚度对防撞装置耐撞性的影响，表明了波纹板竖直布置吸能效果更好，厚度对耐撞性影响较小。余葵等[12-14]针对拱形桥梁防撞难的问题，提出了一种弧形水上升降式桥梁防撞装置，并对该装置的防撞能力进行了研究，发现了该装置对船舶具有较好的拦截作用。蔡新永等[15]以实际工程为例，对桥梁现有的防撞装置设计采用定量和定性分析，发现了船舶撞击防撞带不同位置后，船舶的速度和运动状态变化规律。

本文以白果渡嘉陵江大桥防撞设计为工程背景，使用LS-DYNA有限元软件建立了船-桥墩-防撞装置三维计算模型，研究了不同角度撞击该防撞装置时桥墩的结构响应，并和无防撞装置情况对比，分析自浮式复合材料防撞装置的防撞性能，为今后相关工程和同类桥梁防船撞设计提供参考和借鉴作用。

1 工程概况

白果渡嘉陵江大桥是位于国道212线四川武胜至重庆合川高速公路横跨嘉陵江的一座特大桥。桥梁起点桩号位于武胜岸K80+949.86 m处,止点位于合川岸K82+383.64 m处,主跨中心桩号为K81+605 m,桥梁全长1 433 m。上部结构主桥为130 m+230 m+130 m预应力混凝土连续刚构。引桥为10×40 m+13×40 m预应力混凝土简支T梁。该桥区河段所在航道等级为内河Ⅲ级航道标准，根据白果渡嘉陵江大桥桥区航道的实际情况以及《长江干线通航标准》(JTS 180-4—2020)中第3.0.1条和附录A中第A.0.1条的相关规定[16]，该桥区河段的设计代表船队的船舶吨级为1 000 t的散货船，考虑到该桥桥区河段现行船型及航道的远期规划，白果渡嘉陵江大桥桥区所处的航段应主要以2 000 t级内河散货船作为设防船型。

为了减小船舶撞击桥梁的风险，综合考虑桥区附近水文、航道情况和桥梁的结构形式，对可能遭受船舶碰撞的桥梁主墩，设计了自浮式复合材料防撞套箱，该装置由钢套箱、复合材料纵横隔板和橡胶吸能材料组成，如图1所示。其中钢套箱由上下甲板、内外侧板和内部分隔板组成封闭舱室，该装置迎撞面采用Q235钢板和复合材料组成，橡胶吸能材料主要采用拱形的橡胶护舷，防撞装置通过螺栓把3种节段拼接而成。

图1 防撞装置结构图(单位：cm)

2 船桥碰撞有限元分析

2.1 桥墩有限元模型

本文按照白果渡嘉陵江大桥主墩的实际尺寸建立了有限元模型，主桥主墩采用双薄壁桥墩，桥墩墩壁厚2.5 m，两薄壁间净距7 m，其承台厚度为5 m，基础采用4排桩基础，每个桥墩下共设8根桩，桩径为2.3 m。在桥墩有限元模型中，采用考虑材料损伤、应变率效应以及静水压力对屈服应力影响的HJC混凝土本构模型[17]。该本构模型对应LS-DYNA材料库中111号材料，单元类型均采用实体单元，在桥墩顶部和底部采用简化和等效的边界条件，在桥墩模型的顶部通过施加质量点的形式来模拟桥梁上部结构质量，在桥墩模型底部采用等效桩径法，取8倍桩径为固结深度。

2.2 船舶有限元模型

在船桥碰撞过程中，主要的应力变形集中在船艏附近，而船舶中后部分远离碰撞区域，仅提供质量支持和结构刚度不发生变形损伤。因此在有限元软件中采用考虑应变速率的弹塑性材料模拟船艏结构，划分网格较精细，远离碰撞区域的船身使用刚体材料来建模，均采用壳单元，同时考虑了船舶在水流作用下的纵向运动对碰撞过程的影响，王自力等[18]提出了一种新的附加质量模型，通过有限元数值模拟技术，证明了在高速碰撞下附加质量模型与流固耦合模型具有较好的一致性。本文通过增加船舶密度的方法，把0.04倍的船体质量作为附加水质量加到船舶上，来模拟流体对碰撞过程的影响。

2.3 防撞装置有限元模型

在防撞装置有限元模拟中，钢套箱外表面和内部纵横分隔板均采用壳单元，钢材和复合材料选用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型模拟，钢材的应变率效应通过 Cowper-Symonds 本构模型[19]来计算。橡胶护舷材料特性较为特殊，是一种超弹性材料，应变超过100%后依旧可维持变形，同时具有几何、材料及边界的三重非线性特点，通常采用Mooney-Rivlin模型进行模拟[20]，在建模中选用了LS-DYNA材料库中77号材料，采用实体单元模拟。同时为了降低计算时间，建模时把钢套箱当成一个整体结构，忽略各节段之间的螺栓。钢材和橡胶护舷材料模型的参数如表1、表2所示，船-桥墩-防撞装置碰撞的有限元模型如图2所示。

表1 钢材参数

表2 橡胶护舷材料参数

图2 船-桥墩-防撞装置有限元模型图

2.4 有限元模型验证

在船桥碰撞分析研究中，验证有限元模型的可靠性至关重要，桥墩模型组成形状规则，模型的质量可以得到保证，但船舶模型组成结构和形状比较复杂，在数值仿真过程中难免会产生一些误差。本文运用有限元软件进行仿真模拟2 000 t散货船以3 m/s的速度正向撞击矩形刚性墙，通过船舶撞击刚性墙的撞击力曲线图与美国AASHTO规范公式作对比，进一步证明船舶模型的可靠性。美国AASHTO规范公式如下

P=0.98(DWT)1/2(V/8)

(1)

式中：P为撞击力，MN；DWT为船舶载重吨位，t；V为船舶撞击速度，m/s。AASHTO规范公式是在船舶正撞刚性墙的基础上提出的，适用于油轮、货轮、散货船正撞桥墩的情况。

船舶与刚性墙碰撞的撞击力时程曲线如图3所示。从图3可以看出，船舶撞击刚性墙是一个非线性过程，撞击时间只有0.3 s，从船艏接触刚性墙开始，撞击力迅速增加到峰值，之后因为单元失效，撞击力又会迅速下降，直至船舶反向运动离开刚性墙，撞击力降为0，整个撞击过程中撞击力峰值为15.40 MN，而美国AASHTO规范公式计算的撞击力为16.44 MM。综上所述，数值模拟计算出的结果与美国AASHTO规范公式基本保持一致，证明了有限元模型的可靠性。

图3 船舶与刚性墙碰撞的撞击力时程曲线

2.5 典型工况介绍

在参考桥区附近的水文、通航水位和航速等统计数据后，确定采用了2 000 t级散货船在最高通航水位196 m处，以4.88 m/s的撞击速度使船艏撞击双薄壁墩自浮式复合材料防撞装置。选取了两种代表性的撞击角度，对桥梁的主墩开展不同撞击角度下的碰撞分析，设计了3种比较典型的工况：(1)2 000 t船舶正向撞击防撞装置；(2)2 000 t船舶侧向10°撞击防撞装置；(3)2 000 t船舶侧向45°撞击防撞装置。同时与未安装防撞装置的桥墩作对比，研究该防撞装置的防撞性能，船舶与桥墩碰撞的示意图如图4所示。

图4 船舶撞击桥墩示意图

3 计算结果分析

3.1 正撞情况下

当船舶正向撞击防撞装置时，为船桥碰撞过程中最不利的工况，通过分析碰撞过程中撞击力、能量、结构损伤及应力分布等结构响应，来研究该装置的防撞性能。

3.1.1 撞击力时程变化分析

有无防撞装置时船舶的撞击力时程曲线如图5所示。从图5可以看出，未安装防撞装置时，撞击力时程曲线中出现波峰和波谷，表现出复杂的非线性过程，在0.23 s时撞击力达到峰值48.4 MN，整个撞击过程在很短的时间内就完成。安装防撞装置后，撞击力峰值为21.8 MN，比未安装防撞装置时降低了55%，碰撞时间只有0.56 s，比未安装防撞装置时撞击时间延长了124%，撞击力曲线更加缓和，力的波动更小，说明该防撞装置起到了很好的缓冲作用，减小了船舶和桥墩的变形损伤。

图5 船舶撞击力时程曲线

3.1.2 能量时程变化分析

avoidance device 在正撞工况下无防撞装置和有防撞装置时系统的能量变化曲线分别如图6和图7所示。船桥碰撞过程其实就是能量转化过程。从图中可以看出，安装防撞装置前后，系统的能量转化趋势基本相似，但安装防撞装置的系统能量转化较为平缓，说明防撞装置的存在可以减缓船舶的撞击力，使能量转化变得平缓。从图6可以看出，在碰撞之前系统只存在动能，发生碰撞后，动能主要转化为桥墩和船舶的内能，约在0.23 s时系统的内能达到最大，为7.74 MJ，最后系统的动能和内能维持在一个稳定的水平，分别为3.51 MJ和6.47 MJ。从图7可以看出，发生碰撞后，船舶的动能主要转化为桥墩和防撞装置的内能，动能从碰撞到之后的0.1 s内开始缓慢减少，表明此时防撞装置开始发生轻微变形，在随后的0.2 s当中，系统动能开始快速下降，说明这段时间防撞装置受到大变形，大约在0.4 s时系统的动能达到最小值，此时内能增加到最大值，为9.19 MJ。对比图6和图7可以发现，在碰撞结束后，有防撞装置时系统的动能比无防撞装置系统动能减少18%，说明船舶的动能被防撞装置所吸收，该防撞装置吸能效果较好，可以有效保护桥墩。

图6 无防撞装置系统能量变化曲线 图7 有防撞装置系统能量变化曲线

3.1.3 船舶损伤分析

无防撞装置和有防撞装置时在最大撞击力时刻下的船舶应力云图如图8和图9所示。从图8中可以看出，未安装防撞装置时，船舶最大应力主要集中在船艏与桥墩的撞击部位，而其他部位受到的应力较小。碰撞区域最大的等效应力为536 MPa，已经超过船舶材料的极限强度，发生塑性变形，对船舶造成一定程度的损伤。从图9中可以看出，安装防撞装置后，船舶受到的最大等效应力只有298 MPa，比未安装防撞装置的等效应力降低了44%，船艏的损伤变形明显减小，虽然部分区域发生塑性变形，但等效应力均没有超过材料的极限强度，说明此防撞装置可以明显降低船舶的变形损伤，保护桥墩的同时，也可以有效保护船舶安全。

3.1.4 桥墩水平位移分析

有无防撞装置时桥墩的水平位移时程曲线如图10所示。从图中可以看出，无论是否安装防撞装置，桥墩都会产生微小的振荡，但安装防撞装置后延长了撞击时间，撞击力大幅度降低，导致桥墩的水平位移也有所减小，从裸墩时的18.8 mm减小到11.2 mm，降幅达到40%，说明该防撞装置能够更好地保护桥墩安全。

图10 桥墩水平位移时程 图11 船舶撞击力时程曲线

3.2 侧撞情况下

当船舶侧向撞击防撞装置时，本文选取了在实际工程中比较典型的两种撞击角度，分析在碰撞过程中拨开船艏的效果。

3.2.1 撞击力时程变化分析

船舶侧向撞击安装防撞装置桥墩的撞击力时程曲线如图11所示。从图中可以看出，无论是小角度还是大角度碰撞，整个碰撞曲线表现出复杂的非线性过程。当船舶侧向45°撞击防撞装置时，在0.1 s开始与防撞装置接触，此时撞击力开始上升，约到0.31 s时撞击力达到峰值20.4 MN，最后在0.74 s的时候碰撞结束，船舶与防撞装置分开。当船舶侧向10°撞击防撞装置时，在0.12 s开始与防撞装置接触，撞击力开始上升，约到0.3 s时撞击力达到峰值10.1 MN，比侧向45°撞击降低了50%，最后在0.56 s时碰撞结束，船舶被防撞装置弹开。通过比较，发现小角度撞击，船舶和桥墩受力更小，说明船舶偏航角度越大，对船舶和桥墩造成的危害也越大。

3.2.2 能量变化分析

小角度侧撞和大角度侧撞防撞装置时系统内能量的变化曲线如图12和图13所示。从图中可以看出，两种典型角度碰撞时，系统的总能量均为11.36 MJ，一直保持一条平直的直线，说明在整个碰撞过程中内能、动能、滑移能和沙漏能的和维持不变，符合能量守恒定律。小角度碰撞时，船舶动能转化为防撞装置的变形能，碰撞结束后，船舶动能维持在8.0 MJ，损失占初始动能的30%，防撞装置变形能维持在1.74 MJ。大角度碰撞时，船舶动能维持在3.57 MJ，损失占初始动能的68%，防撞装置变形能维持在4.15 MJ。由此可见，船舶撞击角度越小，船舶损失的动能越少，说明在小角度碰撞后，船舶被防撞装置拨开船艏，并保留了更多的动能远离桥墩，减少了能量的转换，使船舶、桥墩和防撞装置都得到较好的保护。

图12 小角度侧撞能量变化曲线 图13 大角度侧撞能量变化曲线

3.2.3 防撞装置应力变形分析

小角度侧撞和大角度侧撞时防撞装置的应力云图如图14和图15所示。从图中可以看出，小角度和大角度碰撞时的最大等效应力都集中分布在防撞装置的上部，即船艏与防撞装置撞击位置。在大角度侧撞工况下，防撞装置最大等效应力达到614 MPa，已经超过防撞装置材料的极限强度，碰撞区域出现了明显的凹陷变形，其他非碰撞区域应力分布较少，保持在安全范围之内。相比之下，在小角度侧撞工况下，防撞装置最大等效应力为389 MPa，比大角度侧撞工况降低了37%，虽然局部区域进入塑性变形阶段，但等效应力均没有超过材料的极限强度。说明船舶在小角度偏航时，借助防撞装置拨开船艏的功能可以在一定程度上降低对防撞装置的损伤。

图14 小角度侧撞时防撞装置应力云图 图15 大角度侧撞时防撞装置应力云图

防撞装置在不同撞击角度下的撞深时程曲线如图16所示。从图中可以看出，防撞装置的撞深时程曲线都是呈现先增大后减小最后稳定在一个数值的趋势，结合图12和图13的能量变化曲线可以发现，防撞装置的撞深随着船舶动能的减小而增大，说明撞深的增大导致防撞装置变形能升高，但最大的撞深并不是在船舶动能最小处取得。当船舶以10°和45°侧撞时，最大撞深分别为141 mm和300 mm，小角度碰撞时的撞深比大角度碰撞减小了53%，原因是小角度碰撞时防撞装置容易拨开船艏，让船舶保留更多的动能，远离防撞装置，降低了对防撞装置的损伤。

4 结论

本文以白果渡嘉陵江大桥为工程背景，采用数值仿真方法对防撞装置进行性能评估，得到以下结论：

(1)在最不利的正撞工况下，安装防撞装置后，撞击力峰值降低了55%，撞击时间延长了124%，船舶的最大等效应力降低了44%，该防撞装置起到了很好的缓冲作用，具有良好的防撞效果，减小了船舶和桥墩的变形损伤。

(2)当船舶侧撞时，相比大角度碰撞，在小角度碰撞后，船舶被防撞装置拨开船艏，并保留了70%的动能远离桥墩，并且防撞装置受到的变形损伤小，减少了能量的转换，使船舶、桥墩和防撞装置都得到较好的保护。

(3)小角度碰撞工况下的撞击力峰值、防撞装置撞击位置最大等效应力以及最大撞深比大角度碰撞工况分别降低了50%、37%和53% ，使得小角度碰撞时的冲击效应更为平缓，减小了对船舶和桥墩造成的危害。