橋墩傾斜方向對自浮式防撞裝置防護效果影響研究

張 磊, 劉 斌, 王偉峰, 張曉丹, 吳衛國

(1.武漢理工大學 綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心,湖北 武漢 430063; 2.武漢理工大學 船海與能源動力工程學院,湖北 武漢 430063; 3.長江航道規劃設計研究院,湖北 武漢 430041)

0 引 言

為了滿足日益增長的交通運輸需求,大跨度橋梁被廣泛地運用到水面航道上。隨著全球航運業的蓬勃發展,船舶的噸位與航速都在迅速增加,使得船橋碰撞的風險越來越大,因此無論是已有的橋梁或是新建橋梁,都需提升防撞性能、加裝防護裝置。由于位處航道邊緣,大跨度橋梁的索塔結構被船舶碰撞的風險最高。索塔作為橋梁的承重構件,其結構形式有多種類型,常用的形式有單柱形、A形、倒Y形、倒V形等。不同形式的索塔,其水面附近塔柱結構傾斜方向也不同。

在船橋碰撞過程中,橋墩受到的撞擊力與多重因素有關,船橋碰撞的問題是一個涉及多種復雜過程的非線性沖擊動力學問題。最近國內外船橋碰撞方向的研究內容包括船撞力的影響因素[1-3]、船橋碰撞的等效模型研究[4-5]、基于新型防撞裝置的性能研究[6-8]。這些研究采取數值仿真計算方法,分析船橋碰撞的破壞機理、總結撞擊力的影響因素、研發新型防撞裝置并驗證其性能,以此使橋梁在船橋碰撞過程中更具有安全性,為橋梁結構設計與防撞裝置的研制提供科學依據。各國學者在制定橋梁設計規范時提出橋梁撞擊力計算經驗公式,這些經驗公式的原理各不相同,有的是通過大量試驗總結而來,有的則是基于數值仿真的結果。這些研究成果并未考慮到橋墩傾斜方向對船撞力的影響,且較少討論防撞裝置的作用。其他研究船橋碰撞的方法包括實驗法[9-10]、簡化解析法[11]和有限元數值模擬[12-13]等。隨著計算機硬件技術的飛速發展,尤其是非線性有限元技術的日益進步和成熟,使得在船橋碰撞問題的研究中,數值仿真技術的應用日益廣泛。

為研究橋墩傾斜方向對自浮式防撞裝置防撞效果的影響。本文基于有限元數值模擬方法,結合水路航道船舶噸位與航速增加的現狀,選用浮動式鋼覆復合材料防撞裝置。針對2種典型傾斜方式的橋墩,模擬6 000DWT級散貨船以2、3、4、5 m/s速度撞擊防撞裝置保護下的橋墩。對比計算結果并得出結論,為大跨度橋梁橋墩的設計與防撞裝置的研發提供參考。

1 結構主尺度與碰撞場景

在船橋碰撞過程中,橋墩在水線面附近的結構是最容易被船舶撞擊的部位,因此選擇此部位進行數值仿真研究。根據橋墩在水線面附近的傾斜方向可將其分為內傾式橋墩和外傾式橋墩,其實際應用場景如圖1所示。假定2種橋墩除傾斜方向不同外其他的參數均保持一致,橋墩迎撞面傾斜角度大小均為20°。

圖1 2種典型橋墩應用場景

浮動式鋼覆復合材料防撞裝置主體采用剛度較大的加筋鋼結構,主要結構由內、外側板、底板、甲板、縱橫艙壁等板架構件組成。裝置主體有多個水密區域,內部裝壓載物,可以調整防撞裝置浮態。其結構主尺度參數見表1所列。

表1 浮動式防撞裝置的主尺度參數

撞擊船舶為6 000DWT級散貨船,具體主尺度參數見表2所列。

表2 6 000DWT級散貨船主尺度參數

當船舶航行方向與橋墩法線夾角為0°時碰撞場景為正撞,此時橋墩受到沖擊力最大。為對比橋墩傾斜方向對正撞時船撞力的影響,可假定2種情況:船舶分別正撞裝備有防撞裝置的內傾式橋墩和外傾式橋墩,碰撞場景示意圖如圖2所示。為對比不同撞擊速度對計算結果的影響,船舶碰撞速度選擇具有代表性的2、3、4、5 m/s。

圖2 2種碰撞場景示意圖

2 碰撞數值仿真分析

根據上文的計算工況,采用有限元軟件LS-DYNA進行有限元仿真模擬計算,比較不同工況下橋墩撞擊力時程曲線,分析碰撞過程中的結構損壞與能量轉換。

2.1 有限元模型的建立

在分析橋墩傾斜方向對自浮式防撞裝置防護效果的影響,比較不同碰撞工況下橋墩受撞擊力大小的過程中,橋梁的有限元模型選用整橋模型或者單墩模型對計算結果無影響。為節省程序運行時間,橋墩模型截取索塔水面附近的墩臺結構進行仿真計算。橋墩模型材料屬性設置為剛性材料,材料本構模型選用LS-DYNA材料庫中的Mat.020 Rigid,模型網格特征長度取約600 mm。

自浮式防撞裝置主要由鋼材、復合材料夾層板和消能元件構成,其主體為加筋鋼結構,內部填充復合材料,通過消元件與橋墩接觸。由于內部復合材料在碰撞過程中相較防撞裝置整體緩沖消能效果不明顯,數值仿真計算時將其忽略。防撞裝置主體的加筋鋼結構材料為鋼材Q235,有限元模型材料選用LS-DYNA材料庫中的Mat.024 Piecewise Linear Plasticity。其材料參數見表3所列,模型網格特征長度約取200 mm,其真實應力-應變曲線如圖3所示。

表3 船舶與防撞裝置鋼材材料參數

圖3 鋼材的真實應力-應變曲線

消能元件的材料為橡膠,采用實體單元建模,材料選用LS-DYNA材料庫中的Mat.027 Mooney-rivlin Rubber,其材料參數見表4所列[7],模型網格特征長度取約200 mm。

表4 消能元件材料參數

碰撞船舶的主要結構材料與防撞裝置主體結構材料相似,均為鋼材Q235。劃分網格時,船艏區域劃分較為精細,網格特征長度取約100 mm,遠離碰撞區域的船身,網格劃分較為粗糙,在保證精度的同時,盡量節省程序運行時間。防撞裝置與船艏模型的內部結構如圖4所示。

圖4 防撞裝置與船艏模型的內部結構

船橋碰撞有限元模型如圖5所示。橋墩定義為剛性體并全約束,橋墩、防撞裝置、撞擊船舶之間接觸定義為Contact Automatic Single Surface。在有限元分析中,船舶的初始速度分別定義為2、3、4、5 m/s。

圖5 船橋碰撞有限元模型

2.2 數值計算結果與分析

2.2.1 船撞力計算結果

4種速度撞擊下2種橋墩承受撞擊力時程曲線如圖6所示。從圖6可以看出,在船舶與自浮式防撞裝置發生碰撞后,橋墩所受撞擊力立即上升并呈現明顯的波動。這是由于在碰撞初期,消能元件在向橋墩傳遞沖擊力的過程中,自身也在不斷地通過收縮、擴張吸收并釋放能量,傳遞到橋墩的力出現震蕩。當船舶撞擊速度較大時,橋墩可能被船舶球鼻艏越過防撞裝置直接碰撞,橋墩承受沖擊力陡增,碰撞發生的時間點如圖6中撞擊點A、B所示。圖6中:撞擊點A表示內傾式橋墩被球鼻艏直接碰撞;撞擊點B表示外傾式橋墩被球鼻艏直接碰撞。隨著撞擊力逐漸達到峰值,船舶與防撞裝置結構不斷發生破壞并吸收能量。碰撞發生一段時間后,船速逐漸下降直至回彈,碰撞結束。

圖6 撞擊力與時間曲線對比

撞擊力峰值對比情況見表5所列。

對比不同速度下2種橋墩承受撞擊力時程曲線與撞擊力峰值表可知,碰撞過程中外傾式橋墩受到撞擊力峰值明顯更小。當撞擊速度為2 m/s時,2種橋墩受到撞擊力曲線基本吻合。撞擊力峰值出現時間相近,大小差距僅0.7 MN。說明當船舶撞擊速度較小時,橋墩傾斜對自浮式防撞裝置防護效果影響很小。當速度增加到3、4 m/s時,由于內傾式橋墩分別于0.75、0.50 s被船舶的球鼻艏直接撞上,導致撞擊力陡增,與相同速度下外傾式橋墩的撞擊力曲線相比呈現明顯的差異,撞擊力峰值差距分別達到9 MN與13 MN。當速度增加到5 m/s時,巨大的動能使2種橋墩分別于0.40 s與1.00 s被球鼻艏直接撞上。由于外傾式橋墩被球鼻艏撞上時船舶大部分動能已經被吸收,撞擊力對比內傾式橋墩增加有限,2種橋墩撞擊力峰值差為6 MN。

2.2.2 能量轉換結果

根據船橋碰撞外部動力學理論公式:

E=Ed+Em+Et+E(f-d)

(1)

其中:E為船舶碰撞前的初始動能;Ed為船舶通過變形吸收的能量;Em為撞擊力為0以后船舶的回彈勢能;Et為碰撞過程中摩擦耗能;E(f-d)為防撞裝置通過變形吸收的船舶動能。船舶的初始動能在碰撞發生后主要轉化為船舶和防撞裝置吸收能量、摩擦等消耗能量和船舶回彈后動能。

8種碰撞工況結束后各部分能量占比見表6所列。由于自浮式防撞裝置結構強度較大,碰撞過程中防撞裝置通過結構變形吸收的能量占比較小,船舶的大部分動能通過船舶變形吸收。對比由于橋墩傾斜方向不同導致能量轉換的區別:當撞擊速度為2 m/s時,碰撞外傾式橋墩時船舶變形吸收的能量占比更多,相較碰撞內傾式橋墩時多吸收10%的能量;碰撞過程中摩擦耗能少10%;防撞裝置變形吸能相近,僅少3%。當撞擊速度增大到3 m/s以上,撞擊外傾式橋墩時船舶變形吸收量占比相較碰撞內傾式橋墩時少吸收6%～9%的能量;防撞裝置變形吸收的能量為內傾式橋墩防撞裝置的2～3倍。2種橋墩防撞裝置變形能與回彈后船舶動能大小相當。綜上,當撞擊速度大于3 m/s,外傾式橋墩更能發揮防撞裝置緩沖消能的作用。

表6 典型工況碰撞結束后能量分布占比

2.2.3 船艏與防撞裝置變形結果

撞擊速度選擇具有代表性的3、5 m/s進行研究。碰撞過程中船艏與防撞裝置應變云圖分別如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可以看出,撞擊不同傾斜方向橋墩的船舶船艏凹陷方向也不同。這是由于在碰撞過程中防撞裝置受到的力并不均勻,且消能元件不斷變形調整位置,防撞裝置在撞擊發生后產生了朝向橋墩撞擊面法線方向的偏轉,船舶隨之也發生縱傾,縱傾示意圖如圖9所示?？v傾方向不同,船艏受到防撞裝置傳遞的反作用力方向也不同。

圖7 船艏應變云圖

圖8 防撞裝置應變云圖

圖9 碰撞時船舶縱傾示意圖

由圖7可知,當撞擊速度為3 m/s時,內傾式橋墩被球鼻艏越過防撞裝置直接撞上,如圖7a所示球鼻艏發生明顯變形。當撞擊速度為5 m/s時,撞擊2種橋墩的船舶球鼻艏均直接撞上橋墩,撞擊內傾式橋墩的船舶球鼻艏變形更明顯。

由圖8可知,在2種速度撞擊下,外傾式橋墩的防撞裝置變形均更明顯,外傾式橋墩的防撞裝置在碰撞過程中受到的沖擊力更大,通過變形吸收的能量更多。

3 結 論

采用有限元軟件LS-DYNA仿真6 000DWT級船舶分別以2、3、4、5 m/s的速度正撞2種傾斜方向橋墩的防撞裝置。通過分析不同撞擊工況下橋墩受到的撞擊力與碰撞過程中的能量轉換,研究橋墩傾斜方向對自浮式防撞裝置防護效果的影響。結論如下:

1) 內傾式橋墩由于自身的形狀特點,其水下結構很容易被船舶的球鼻艏越過防撞裝置直接撞上,導致橋墩受到的撞擊力陡增,極大地削弱了防撞裝置的防護作用。相比之下,外傾式橋墩很難被球鼻艏撞上,即使在極端狀況下被撞上其撞擊力增加有限,對橋墩危害更小。

2) 碰撞過程中,當撞擊速度大于3 m/s時,外傾式橋墩的防撞裝置吸收能量更多,且隨著撞擊速度增加,其防撞裝置吸收能量占比越來越大。外傾式橋墩更能發揮防撞裝置緩沖消能的作用。

3) 傾斜的橋墩可能導致防撞裝置在碰撞過程中發生偏轉,從而使船舶發生縱傾;縱傾方向不同使船艏結構發生塑性應變的位置不同,從而對船舶結構破壞產生影響。