夾層結構曲面環形浮式橋墩防撞套箱碰撞分析

許薛軍 單成林

摘要：針對船舶撞擊橋梁的安全問題，提出一種鋼聚氨酯鋼夾層板制作的新型曲面環形浮式橋墩防撞套箱.采用顯式動力瞬態非線性有限元軟件ANSYS/LSDYNA建立了船舶撞擊橋墩的仿真模型，通過撞擊過程中船舶撞擊力和速度的變化，分析了船舶、防撞套箱、橡膠護舷、橋墩之間的能量轉換以及防撞套箱撞擊部位的受力和變形.研究表明：當防撞套箱受最不利撞擊時，夾層板曲面環形橋墩防撞套箱能吸收70%的船舶撞擊能量，且具有節省箱內加勁板及支架、構造簡單、質量輕等特點.本文提出的橋墩防撞套箱具有良好的抗沖擊性能和彈塑性能，為工程應用提供了理論依據.

關鍵詞：橋梁工程；防撞設施；夾層結構；曲面套箱；碰撞分析

中圖分類號：U443.26 文獻標識碼：A

隨著內河航運的發展，船舶撞擊橋梁事件日益增多，橋梁的防撞研究引起了廣泛關注.目前，柱式橋墩的防撞裝置有多種，就浮式套箱橋墩防撞設施而言，大多采用鋼板制作的套箱、型鋼制作的桁架鋼圍套及多種材料制作的組合結構套箱等＼[1-3＼].這些防撞設施具有鋼材用量大、構造復雜、瞬時轉移撞擊能量差等不足.文獻表明，夾層聚氨酯鋼板易制作成弧形曲面，夾層板本身具有良好的抗沖擊性能，已廣泛應用于船舶維修＼[4-6＼].采用鋼聚氨酯鋼夾層板制作的懸浮式曲面環形橋墩防撞套箱，能大幅提升橋墩的防撞能力，與鋼套箱相比，節省了很多箱內加勁板及支架，構造簡單，質量輕＼[7＼].本文采用ANSYS/ LSDYNA及LSPREPOST 有限元分析軟件，考慮碰撞過程中材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等因素，研究了鋼聚氨酯鋼夾層結構浮式曲面環形橋墩防撞套箱的動力碰撞性能，并用于廣東省清遠市陽山縣陽山橋橋墩防撞工程.

1曲面環形橋墩防撞套箱構造

根據橋墩防撞特點、橋墩外形以及夾層聚氨酯鋼板的抗沖擊特點，本文設計的防撞套箱外形類似救生圈，如圖1所示.該防撞套箱套在橋墩柱上，懸浮在水面上，可自由轉動，有利于瞬時改變撞擊方向，有效轉移船舶的撞擊能，從而使橋墩免受正面撞擊.考慮到船頭高度及有利于消能，套箱的截面形式做成橢圓形，如圖2所示.按照陽山大橋橋墩尺寸和通航等級，經試算，防撞套箱內直徑1.7 m，外直徑4.7 m，套箱與直徑1.5 m混凝土墩柱間設置100 mm的間隙，以便在套箱內側固定厚度小于間隙的橡膠護舷墊塊.套箱的橢圓截面長軸2.5 m，短軸1.5 m；鋼聚氨酯鋼夾層板的厚度組合為8 mm60 mm6 mm.

為施工方便，防撞套箱可分為4個對稱構件（圖1未標識接頭）加工制作，每個構件由若干塊曲面板拼焊而成，構件的鋼板內表面經噴砂粗糙及除銹處理后，灌注聚氨酯芯層，再運抵現場拼裝.

2建立撞擊仿真模型

船舶撞擊橋墩是一個瞬態的沖擊過程， 防撞套箱上的碰撞區域在很短的時間內發生彈塑變形，如屈曲、凹陷、褶皺和撕裂＼[8＼].本文采用有限元仿真分析方法模擬船舶撞擊橋墩，用ANSYS/LSDYNA有限元計算軟件模擬計算懸浮防撞套箱、橋墩、船舶三者的受力和變形＼[9-11＼]，并考慮了幾何非線性、材料非線性和接觸非線性.本文提出的防撞套箱是一種新的夾層材料防撞結構，研究的主要目的是探討其具有共性的基本防撞性能，為實際工程應用提供理論支撐.具體的橋墩防撞應用，需結合船體和橋墩的實際情況進行定量分析.基于此，建立有限元計算模型時做了以下簡化：

1）本文重點研究夾層板曲面環形橋墩防撞套箱的防撞性能，不考慮船體變形破壞吸收的能量，用質量塊剛體撞擊模擬船舶撞擊；

2）船舶撞擊防撞套箱時，不考慮橋梁上部結構的動力響應對能量的轉移吸收；

3）在撞擊過程中，水介質吸收的能量等效為一定的附加水質量 ＼[12＼].

2.1模型材料參數

根據相關文獻，聚氨酯、鋼板、橋墩混凝土的參數見表1.

此外，聚氨酯的沖擊強度為24 kJ/m2，非線性剪切應力參數為0.

2.2有限元模型及計算

計算模型采用控制單元邊長的方法來建立有限元單位網格，但進一步細分了墩柱與套箱接觸部位的單元網格，模型中單元網格的最小特征長度約為120 mm.

采用ANSYS/ LSDYNA中提供的3維顯式單元劃分算法，橋墩及防撞結構共劃分為37 909個單元，其中曲面套箱夾層板采用BelgtschkoTsag單點積分的殼單元算法和薄殼空間SHELL163單元，共12 709個，墩柱混凝土及橡膠護舷采用單節點積分算法和SOLID164單元，共25 200個.套箱與墩柱之間設置橡膠護舷，護舷與墩柱單元劃分一致，采用共用節點固接.由于套箱接觸面為曲面，以致護舷與套箱的連接節點不完全重合，本文采用ANSYS軟件中CPTINF命令，將護舷與套箱接觸面上節點轉化為耦合連接.由于主要研究對象為套箱，設墩柱頂自由，墩柱底固結.計算模型如圖3所示.

該計算模型不考慮船體在碰撞過程中的能量消耗，假設船體為剛性體單元，幾何尺寸為1.5 m×1.5 m×2.0 m.碰撞體的質量和剛度一定時，撞擊力的大小主要取決于碰撞速度＼[13＼].按照《公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2004）》， 100 t級船舶的運行速度在8～11 km/h之間，本文取碰撞體的初速度為2.6 m/s.

接觸模擬是碰撞計算分析的關鍵，直接影響計算結果.本仿真模型計算采用面面接觸式碰撞，船舶的撞擊面為主面，其上的節點為主節點，防撞套箱上的節點為從節點，接觸算法采用對稱罰函數.碰撞過程中，船舶剛體與鋼套箱表面、套箱內側與橡膠護舷、橡膠護舷與墩柱壁之間均存在摩擦.摩擦因數隨著潤滑條件的不同變化很大，且在變形的彈性階段，隨著壓力增大而增大，在變形的塑性階段，變化非常復雜，一般在0.03～0.45之間.考慮到摩擦能量的損失并不大，本計算假設靜動摩擦因數均等于0.15，不考慮碰撞過程中壓力變化影響.本文計算采用船體質量5%的附加水質量，作為流水介質對動力的影響.有限元模型計算中，重點分析夾層結構的曲面環形套箱的撞擊性能，橋墩柱底固結，不考慮船體和橋梁上部結構轉移吸收的能量.