大跨連續(xù)剛構(gòu)薄壁墩防船撞動力數(shù)值模擬

榮帥　邵林　權(quán)新蕊

【摘 要】文章根據(jù)橋位航道等級及本項目航道通航條件影響評價報告確定船撞代表船型及水流速度，采用國內(nèi)外五個常見的船撞力計算公式分別計算船撞力，并根據(jù)經(jīng)驗選取與實際情況較吻合的美國AASHTO公式數(shù)值作為橋墩的船撞力標準值。在中、高水位情況下，選取3°正向和25°側(cè)向兩個不同角度撞擊橋墩的工況組合，采用大型有限元計算分析程序ANSYS，對橋墩分別進行有限元碰撞仿真計算。對計算結(jié)果進行綜合分析，分別確定在未加防撞設(shè)施情況下和有柔性防撞消能設(shè)施情況下，橋墩自身抗力是否滿足要求。

【關(guān)鍵詞】大跨連續(xù)剛構(gòu); 雙肢薄壁墩; 橋墩防撞; 碰撞動力數(shù)值分析

【中圖分類號】U443.26【文獻標志碼】A

1 工程概況

本工程為渠縣石盤渡口改公路橋（三匯中學特大橋）。所涉河流為州河，橋址位于渠縣三匯鎮(zhèn)。本橋全長502 m，主橋連續(xù)剛構(gòu)跨徑布置為（95+180+95） m。橫向分幅設(shè)置，主梁采用單箱單室截面，主墩采用雙肢薄壁墩。主跨跨越通航孔，3#墩位于常水位河岸邊，4#橋墩位于主河槽中[1]（圖1）。

1.1 橋位處通航條件

推薦橋位下距州河河口約820 m，上距舵石鼓電站約1 km。根據(jù)本項目航道通航條件影響評價報告[2]及其批復的結(jié)論，橋區(qū)河段通航等級為Ⅲ級，選用《內(nèi)河通航標準》Ⅲ-（3）代表船隊[3]，主尺度為160 m×10.8 m×2 m，最高通航水位為259.43 m，最低通航水位242.60 m，橋型實際通航凈高為13 m，滿足通航要求。主橋橋型方案為（95+180+95） m預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，180 m主跨作為通航孔，采用單孔雙向通航方式，通航孔凈寬162.7 m，大于計算所需的最小通航凈寬140 m，在充分考慮助導航標志、防撞等安全設(shè)施后，能夠滿足通航要求（圖2）。

1.2 防撞設(shè)施布設(shè)情況

按照本項目航道通航條件影響評價報告的要求，在3#、4#主墩設(shè)置鋼-復合材料浮式防撞設(shè)施，其內(nèi)部是由多個復合材料板梁結(jié)構(gòu)的密封艙室結(jié)構(gòu)組成的多艙室浮式防撞體，防撞設(shè)施布置圖如圖3、圖4。

2 大橋橋墩撞擊力確定

2.1 常用撞擊力經(jīng)驗公式

船舶撞擊力的計算方法中經(jīng)驗公式計算法占有很大的比重，包括我國公路、鐵路規(guī)范在內(nèi)，世界上不同組織提出了數(shù)十種船舶撞擊力的經(jīng)驗公式，經(jīng)驗公式計算快捷簡便，在無更詳細船舶撞擊力資料時采用，但不同的經(jīng)驗公式計算結(jié)果往往相差很大。

國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）編寫“交通船只與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響的綜述與指南”以及交通部在內(nèi)的許多機構(gòu)也發(fā)表了相應(yīng)的船舶碰撞的指導性文件或規(guī)范，關(guān)于船舶撞擊力的計算有許多經(jīng)驗公式，常見的有以下五種。

2.1.1 公路規(guī)范規(guī)定

公路規(guī)范[4]規(guī)定通航河流中的橋梁墩臺所受船只撞擊力，可按漂流物撞擊力計算。漂流物撞擊力可按下式估算：

P=WV/（gT）

式中：P為漂流物撞擊力; W為漂流物重力，根據(jù)漂流物情況，按實際調(diào)查確定; V為水流速度; T為撞擊時間，應(yīng)根據(jù)實際資料估計，在無實際資料時，一般用ls; g為重力加速度9.81 m/s2。

2.1.2 鐵路規(guī)范規(guī)定

鐵路規(guī)范[5]規(guī)定墩臺承受船只或排筏的撞擊力可按下式計算：

F=γVsina[w/（C1C2]0.5

式中：F為撞擊力;γ為動能折減系數(shù)，s/m0.5。當船只或排筏斜向撞擊墩臺（指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向不一致）時可采用0.2，正向撞擊（指船只或排筏駛近方向與撞擊點墩臺面處法線方向一致）時可用0.3;V為船只或排筏撞擊墩臺時的速度。此項速度對于船只采用航運部門提供的數(shù)據(jù)，對于排筏可采用筏運期的水流速度;a 為船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定，如有困難，可采用a=20°;W為船只重或排筏重;C1、C2為般只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺圬工的彈性變形系數(shù)。缺乏資料時可假定：C1C2=0.005 m/kN。

2.1.3 國際組織規(guī)定

國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）指南[6]規(guī)定計算船撞力的公式中，以船速代入的，有3個：

（1）（Minorsky ， Gerlach ， Woision）公式：

P=0.024（VDmax）2/3

式中：P為撞擊力; V為船速;Dmax為船的滿載排水量。

（2）索爾-諾特-格林那（Saul-SveIsson，Knott，Greiner）公式：

Pmax=0.88（DWT）1/2（V/8）2/3（Dact/Dmax）1/3

式中：Pmax為最大撞擊力; V為船速;Dact為撞擊時的排水量;Dmax為船只滿載排水量。

（3）美國各州公路和運輸工作者協(xié)會（AASHTO）[7]規(guī)定的公式為：

①輪船船撞力計算公式為：

Ps=1.2×105V（DWT）1/2

式中：Ps為船只的等效正面靜撞擊力; DWT為船只的載重噸數(shù); V為船只的撞擊速度。

②駁船隊船撞力計算公式為：

PB=（6.0×106+1600aB）RB

式中：PB為船只的等效正面靜撞擊力; RB為駁船型寬m/10.7;aB為駁船撞擊破損長度mm，aB=3100×[（1.0+1.3×10-7KE）1/2-1.0]，KE為撞擊動能，考慮水動力系數(shù)，只計入撞擊駁船隊單列排水量。

2.2 大橋橋墩船舶撞擊力計算

2.2.1 計算條件

（1）船撞代表船型

船撞代表船型見表1。

（2）水流流速

1 000 t船舶，船舶航行速度取4.2 m/s，水流平均速度2.5 m/s，通過美國AASHTO設(shè)計規(guī)范撞擊速度插值，取3.9 m/s。

（3）計算工況

工況一：中、高通航水位，滿載0 °正向撞擊主墩防撞設(shè)施首部。

工況二：中、高通航水位，滿載25 °側(cè)向撞擊主墩防撞設(shè)施側(cè)部。

2.2.2 水中橋墩船撞力計算

采用通航橋區(qū)代表船型，在船舶滿載的情況下，撞擊橋墩來計算船舶撞擊力。

2.2.3 根據(jù)經(jīng)驗公式計算橋墩船撞撞擊力

根據(jù)經(jīng)驗公式計算橋墩船舶撞擊力，見表2。

從表2可以看出，各個公式計算出的船撞力差異很大，由于橋墩和船舶的剛度、航速等的不同，船撞力的大小也會有所不同。通過多年來經(jīng)驗得出，橋墩船舶撞擊力數(shù)值與美國AASHTO公式數(shù)值最為接近，與實際情況也較為吻合[8]。這里，取美國AASHTO公式數(shù)值作為橋墩的船撞力標準。

2.3 結(jié)論

綜合考慮經(jīng)驗公式、結(jié)合同類橋梁船撞力研究經(jīng)驗，得出：順橋向撞擊力取橫橋向撞擊力的一半處理，大橋主橋墩船舶撞擊力大小調(diào)整后見表3。

3 船撞防撞設(shè)施有限元仿真

有限元瞬態(tài)碰撞動力學分析方法，是通過建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬態(tài)碰撞動力學方法，模擬碰撞過程中的結(jié)構(gòu)的接觸、變形、屈曲和破損，同時考慮材料應(yīng)變率敏感性，以及碰撞過程中水對船舶和橋墩的碰撞影響。

在建立橋墩的碰撞有限元模型過程中，根據(jù)橋墩實際的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，選用剛性材料來模擬變形很小的鋼筋混凝土橋墩，橋墩樁基采取剛性固定約束。

在船舶的建模過程中，對碰撞區(qū)船艏結(jié)構(gòu)，按照船舶實際構(gòu)件的布置和尺度，計算模型作了比較詳細地描述。全船質(zhì)量分布于船身及船艏的各單元上，重心位于中縱剖面上。模擬船體的各幾何特性，如：質(zhì)心、重心和慣性矩均與實船一致。船艏碰撞區(qū)材料考慮了船體材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對材料屈服強度的影響[9]。

碰撞過程是一個動態(tài)過程，其行為特征相當復雜，涉及到很多的因素[10]，如船舶的類型、航行速度、撞擊角度、航道水深、流速、橋梁及基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。大量的碰撞實例和模型試驗表明，問題的焦點集中在撞擊動能、船舶對橋墩的撞擊力及相撞系統(tǒng)的形變勢能（即吸收能量的能力）等幾個方面[11-12]。

船舶與剛性橋墩碰撞采用自適應(yīng)接觸算法，運用LS-DYNA顯式動力學分析軟件，在船和剛性橋墩的撞擊區(qū)之間定義主從接觸。其中船舶和橋墩采用了多種單元進行了離散，如：考慮了應(yīng)變率效應(yīng)的板殼單元、梁單元、剛性材料單元等等，另外在船舶模型處理上考慮了附連水質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的動力影響。下面，對橋墩分別進行了有限元碰撞仿真計算，如下共有2種工況組合，見表4。

3.1 主橋3#、4#橋墩防撞設(shè)施有限元仿真

3.1.1 正向撞擊

1 000 t船舶3 °正向撞擊橋墩防撞設(shè)施有限元仿真

計算工況：1 000 t級船舶滿載（排水量1 548 t），3.9 m/s

由3 °正向碰撞力曲線（圖7）可知，撞擊力在橫橋向（X向）、順橋向（Y向）和垂向（Z向）的力的特點見表5。

由3 °正向向碰撞能量曲線（圖8）可知，船舶的碰撞動能絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，碰撞過程中的沙漏能的量值幾乎接近零，表說明計算結(jié)果可靠。

由3 °正向向碰撞速度曲線（圖9）可知，船舶在碰撞過程中，在橫橋向速度降低較快。

3.1.2 25 °側(cè)撞擊

1 000 t船舶25°側(cè)撞擊橋墩有限元仿真

計算工況：1 000 t級船舶滿載（排水量1 548 t），3.9 m/s船舶撞擊速度， 25°側(cè)向撞擊;（圖10～圖14是船舶和橋墩碰撞有限元模型與仿真）。

由25°側(cè)向碰撞力曲線如圖11可知，撞擊力在橫橋向（X向）、順橋向（Y向）和垂向（Z向）的力的特點見表6。

由25°側(cè)向碰撞能量曲線（圖13）可知，船舶的碰撞動能絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，碰撞過程中的沙漏能的量值幾乎接近零，表說明計算結(jié)果可靠。

由25°側(cè)向碰撞速度曲線（圖14）可知，船舶在碰撞過程中，在橫橋向速度降低較快。

3.2 主橋3#、4#橋墩防撞設(shè)施有限元仿真結(jié)果匯總

綜合有限元仿真結(jié)果，在中、高水位情況下，不同角度撞擊防撞設(shè)施后，計算得出船舶撞擊力匯總（表7）。

4 結(jié)論

通過有限元動力數(shù)值模擬分析計算，得出加裝防撞設(shè)施后各個橋墩的船舶撞擊力數(shù)值，如表8所示。

根據(jù)表8可以得出以下結(jié)論：

（1）通過分析可知，動態(tài)非線性有限元仿真分析可模擬船-橋碰撞的力學過程，并可為工程提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

（2）通過有限元仿真計算可知，未加防撞設(shè)施情況下，得出的橫橋向與順橋向船舶撞擊力均大于橋墩自身抗力，橋墩自身防撞能力無法滿足要求，需設(shè)置防撞消能設(shè)施。而在有柔性防撞消能設(shè)施情況下，橫橋向與順橋向船舶撞擊力均小于橋墩自身抗力，防撞設(shè)施設(shè)計滿足要求。

參考文獻

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[定稿日期]2021-01-13

[作者簡介]榮帥（1991～），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計相關(guān)工作。