水域橋梁半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)的研究

◎賈存威 王松林 毛利 陳善能 寧波市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司

1.前言

對已發(fā)生的船橋相撞事故的調(diào)查表明，大部分事故是由船舶操縱者的失誤以及船舶失控導(dǎo)致的，不僅主通航孔兩側(cè)的主橋墩會受到船舶的撞擊，引橋橋墩也同樣可能遭受船舶的撞擊，而引橋橋墩抗船撞能力弱，更容易導(dǎo)致災(zāi)難性后果。近年來發(fā)生的廣州九江大橋和舟山金塘大橋遭受船舶撞擊而導(dǎo)致的橋塌、船沉、人亡的災(zāi)難性事故，都是船舶撞擊到引橋上。

如何盡可能避免在寬闊水域的橋梁遭受來往船舶撞擊，及其在船舶失控時，如何保證不出現(xiàn)橋斷船毀人亡的惡性事故，保證橋梁和船舶兩者人員和財產(chǎn)的安全，在工程上具有技術(shù)攻關(guān)的必要性和迫切性。

自上世紀八十年代初，國際上對船撞橋以及相應(yīng)防護問題的研究開始得到關(guān)注，八十年代中后期國際上根據(jù)船橋碰撞的動能或動量原理，提出了橋梁設(shè)計的新標(biāo)準(zhǔn)，特別是1991年美國各州公路和運輸官員協(xié)會（AASHTO）出版了《船舶碰撞公路橋梁設(shè)計指南》為橋梁的抗船撞設(shè)計基礎(chǔ)。在國內(nèi)，直到本世紀開始，船撞橋的研究才受到較廣泛關(guān)注，但至今各種船撞橋的設(shè)計規(guī)范還存在許多問題有待解決。特別是2007年廣東九江大橋引橋受到運沙船的撞擊而倒塌的事故發(fā)生之后，船撞橋的研究才真正得到了相關(guān)部門的重視，各種橋梁的抗船撞設(shè)計得到了發(fā)展。

目前大部分的橋梁抗船撞裝置技術(shù)研究采用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法，雖然船舶通過橋梁時的航速通常為每秒數(shù)米，但由于大質(zhì)量，船舶具有巨大的動能，船橋相撞是一個在數(shù)秒鐘內(nèi)進行的短時歷程中包含巨大能量交換的動態(tài)過程，實際上是一個動力學(xué)過程，需要發(fā)展新的抗撞防護分析，采用動態(tài)方法針對各個具體問題進行研究，包括動態(tài)數(shù)值模擬。

目前我國的橋梁已采用多種方法（設(shè)施）來提高橋梁的抗船舶撞擊的能力，這些方法主要是針對大橋主橋墩的防護，對于大橋引橋防護的研究相對較少。引橋橋墩之間為非通航孔，所以防船撞設(shè)施不用考慮航道的要求，可以采用攔截的方法，阻止船舶靠近大橋，避免船舶與大橋的碰撞。

本文提出的半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)，主要分析和研究以下三個問題：

（1）從理論上研究分析半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)施的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)，恒阻力裝置的動態(tài)力學(xué)行為，以及設(shè)施的固定方式等；

（2）研發(fā)適應(yīng)于高水位差的半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)，主要考慮水位差對整個裝置的攔截效果等方面的影響；

（3）采用小模型試驗對半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截裝置進行驗證，使得裝置適用于高水位差水域。

2.半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)

本項目研究以三門灣力洋港大橋引橋防船撞為工程背景，三門灣海域具有強潮差特點，同時該水域在靠近岸邊水深較淺，因此，本項目在前期浮式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對三門灣海域的特點，提出一種新的自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)。

對于水深比較淺的海灣或江河，樁基工程費用較低，可用固定樁來替代系泊躉船，簡稱固定樁式船舶攔阻系統(tǒng)，大大節(jié)約工程費用，該技術(shù)已經(jīng)用于舟山響礁門大橋引橋防撞。固定樁式船舶攔阻系統(tǒng)不適應(yīng)于強潮差海域條件，為此，我們提出把固定樁和系泊躉船搭配使用，提出了半固定樁式船舶攔阻系統(tǒng)。圖1給出了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截系統(tǒng)的平面布置圖。力洋港大橋防船撞攔截系統(tǒng)在處于下游的B1和B2區(qū)設(shè)置了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截系統(tǒng)，該攔截系統(tǒng)一端為系泊浮體，而另一端（靠近岸邊側(cè)）為獨立防撞墩；除了系泊形式的有所改變外，半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)與浮式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截系統(tǒng)基本上是相同的。

圖1 半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截系統(tǒng)的平面布置圖

該設(shè)施的基本結(jié)構(gòu)由樁柱、大浮船、自適應(yīng)浮筒、恒阻力裝置、攔截網(wǎng)組成。在該攔截系統(tǒng)中，攔截系統(tǒng)的首尾兩端設(shè)置一個以樁柱為基礎(chǔ)的承臺和一個大浮船，利用大浮船隨著潮位上下移動來解決強潮差問題，其中間相距約120米設(shè)置一個以樁為基礎(chǔ)的承臺。在承臺之間設(shè)置6個自適應(yīng)浮筒，通過攔截網(wǎng)將所有自適應(yīng)浮筒連接起來。攔截網(wǎng)由抗海水腐蝕的超高分子量高強度聚乙烯繩組成，網(wǎng)眼大小約為3×3m，攔截網(wǎng)設(shè)置于自適應(yīng)浮筒上部，并位于自適應(yīng)浮筒后部（靠近船舶撞擊端設(shè)為前部），固定在承臺的恒阻力裝置（纜繩）上。在自適應(yīng)浮筒前部裝設(shè)一根強度約80噸的鋼絲索，一方面為了保護系統(tǒng)在受到較小的撞擊下，無需維修，另一方面該鋼索用于啟動和拉升自適應(yīng)浮筒。在正常情況下，浮筒保持在攔截網(wǎng)水面之下0.5-1m的位置，以保護高分子攔截網(wǎng)避免受到紫外線照射而老化，提高裝置的耐久性。自適應(yīng)浮筒是實現(xiàn)自適應(yīng)攔截船舶的關(guān)鍵機構(gòu)，而恒阻力裝置則是控制該系統(tǒng)攔船阻力大小的關(guān)鍵部件。

有關(guān)自適應(yīng)浮筒的外形設(shè)計及其自適應(yīng)行為在前期研究工作已通過小模型實驗進行了研究，并進行理論建模和分析，此處不再論述。恒阻力裝置在前期研究工作也開展了部分原理性設(shè)計方法討論，缺乏理論分析和全尺寸實驗研究，這方面工作是本文需要研究的內(nèi)容。另外，前期研究工作和工程設(shè)計主要是基于物模實驗和理論估算，沒有開展過整個船舶攔截設(shè)施的全尺寸數(shù)值模擬方面的研究工作，而數(shù)值仿真技術(shù)是工程設(shè)計優(yōu)化的有力助手，為此，在本文中將重點開展這方面的研究工作。

3.恒阻力機構(gòu)的理論與數(shù)值分析

對于恒阻力機構(gòu)的計算分析，通過實例計算來開展研究，主要側(cè)重在纜索方面，分析的目的在于：

（1）一套恒阻力機構(gòu)如何通過計算獲得所需的副纜數(shù)量（根數(shù)），以及確定主纜長度的設(shè)計計算方法；

（2）通過對相鄰多根副纜受力同期性分析，研究主纜工作過程中的受力變化，以便明確主纜設(shè)計時選擇強度的依據(jù)（線徑選擇）。

下面將用理論分析以及有限元分析兩方面來討論。

3.1 理論分析計算

以載重量為5000噸的多用途船為典型船舶，排水量約為9500噸，以8節(jié)航速計，該典型船的速度約為4m/s。要設(shè)防的船舶所具有的動能E：

該恒阻力攔截網(wǎng)有4根順橋向纜繩，分別穿過自適應(yīng)浮筒連接與恒阻力機構(gòu)上，恒阻力機構(gòu)設(shè)置在系泊浮體（或固定樁）側(cè)面，攔截網(wǎng)設(shè)置于兩者之間，每側(cè)4套，每個攔截單元共需8套恒阻力機構(gòu),如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

由于船舶撞擊時動能十分巨大，所以要選擇一種斷裂變形率高并且拉伸強度不低的高分子材料，綜合以上因素考慮，選擇了PA66(尼龍66)這種材料。表1是日本旭化成工業(yè)株式會社提供的試驗數(shù)據(jù)：

表1 PA66機械性能

為了計算的準(zhǔn)確，對恒阻力機構(gòu)做了一系列的1:1拉伸破斷試驗，來確定單根PA66的延伸率、破斷力（峰值）和力-位移曲線（求平均力），這將為下面的計算分析提供可靠的依據(jù)。

按船舶動能76MJ計算，這些動能有8套機構(gòu)同時來吸收，故每套恒阻力機構(gòu)只需吸收能量為9.5MJ。主纜為鐵索鏈，鐵鏈環(huán)內(nèi)沿長約20cm，強度100噸。副纜為高強度纖維繩，拉伸強度以32噸計算，主纜受力拉伸時，拉力將傳遞到副纜上，副纜受力伸長，在副纜拉斷前，將由副纜受力，整個拉伸過程，由于實驗結(jié)果顯示尼龍66力-位移曲線近似一條斜線，折算為平均拉力16噸。副纜長為3米，延伸率為25%。則每根副纜在被拉斷過程中吸收的能量大約為：

為了吸收9.5MJ的能量，每套恒阻力組需要設(shè)置158根副纜來吸收船舶的動能。

由于每根鐵鏈環(huán)設(shè)置一根副纜，即副纜的間距為0.2米，則主纜的有效長度為：

即主纜總長度為67.2米，其中4米為尾部預(yù)留長度，以便保證最后幾根恒阻力繩能夠拉斷。在實際設(shè)計計算中還要根據(jù)具體情況加上與系泊浮體連接的長度。

在該系統(tǒng)攔船過程中，攔網(wǎng)和主纜的變形、浮體和水流的運動、以及錨鏈的移動等，都將吸收部分能量。

圖3 恒阻力機構(gòu)原理圖和實物照片

3.2 ANSYS/LS-DYNA有限元分析

①前處理過程。將船體簡化成一個質(zhì)量點，選擇3D MASS166單元類型。這里船體集中質(zhì)量單元，而非轉(zhuǎn)動慣性單元，由一個單節(jié)點和一個質(zhì)量值定義。

船體排水量為9500噸，有8個恒阻力裝置一起受力，在實參數(shù)中定義船體質(zhì)量為9.5e5KG。所以選擇Rigid Material(剛性材料)，輸入密度7800Kg/m3，彈性模量2e11，泊松比為0.27。平移約束參數(shù)（Translational constraint parameter）和轉(zhuǎn)動約束參數(shù)（Rotational constraint parameter）都選擇無約束。

主纜單元類型為LINK167（僅能拉伸的單元，用于模擬索），實參數(shù)中定義截面積為0.00453416m2(直徑38)，偏移量為零，即繩子一有偏移量就產(chǎn)生拉力。材料模型為CABLE，主纜是由鐵環(huán)做成的，密度為7800Kg/m3，彈性模量為2e11，曲線號為零即不加載曲線（力-時間曲線或者應(yīng)力-應(yīng)變曲線）。

副纜選擇單元類型為3D SOLID 164，為實體單元，實參數(shù)不用定義，材料模型為Plastic Kinematic Model。PA66材料密度為1160Kg/m3，拉伸模量為0.32GPa，泊松比為0.4，取失效應(yīng)變?yōu)?.25(尼龍66材料斷裂延伸率為25%)。

②有限元模型建立及計算結(jié)果分析。在上面設(shè)置的基礎(chǔ)上，再對每一根副纜和主纜X，Y，Z方向進行耦合，使主纜與副纜固定在一起（圖中綠色為耦合處）。最終模型如圖4所示。

圖4 恒阻力機構(gòu)有限元模型

計算的各個狀態(tài)用圖表達，圖5為第一個副纜拉斷瞬間，圖6為全部副纜拉斷瞬間。

圖5 第一個副纜拉斷瞬間應(yīng)力云圖

圖6 全部副纜拉斷瞬間云圖

圖7給出了主纜的力-時間曲線，受力最大值為662.8kN。這說明在主纜需要達到抗662.8kN力的強度，特別是與系泊浮體的連接處容易斷裂，需要加強防護。

圖7 主纜力-時間曲線

11根副纜在拉斷過程中吸收的能量如圖8所示，A曲線是副纜總能量，B曲線基本與A曲線吻合，是副纜的內(nèi)能，C曲線是副纜的動能，其值可以忽略不計。導(dǎo)出曲線的數(shù)據(jù)，得到最大能量為6.7646381250e+005J，表明11根副纜一共吸收約676464J能量。通過計算得一共需要155根副纜。

圖8 能量變化曲線

4.物模實驗

4.1 物模實驗參數(shù)確定

原型與模型對應(yīng)尺寸之比為同一比例常數(shù)，理論上幾何比尺越小,模型的相似性越好，在船帕模型試驗中幾何模型比尺一般為70以內(nèi)。實驗中,按p=50選取最大典型模型實驗船舶。通過系列模型實驗，獲得合理浮體幾何形狀、浮體間距、網(wǎng)間距及繩索的張力等特征參量特性，為工程設(shè)計提供參考。

4.2 物模實驗方案

模型實驗裝置相似比采用1∶50,自適應(yīng)浮筒中心距40cm。模型實驗中左端是固定樁，右端仍然采用系泊浮體。固定樁與系泊浮體之間設(shè)置4個自適應(yīng)浮筒。模型船舶以一定速度撞擊該系統(tǒng)，實驗測試攔截系統(tǒng)的運動響應(yīng)行為。船舶模型采用鐵皮制作,為5000T級噸位典型船模型（p=50）。根據(jù)實驗要求，使船舶模型滿足吃水、重量與原型相似。

4.3 模型實驗結(jié)果分析

一是船舶正撞半固定樁自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)。自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)在船舶正撞下的運動情況采用攝像機進行拍攝記錄，典型的模型實驗結(jié)果照片如圖9所示。

圖9 正撞工況下攔截系統(tǒng)攔截船舶過程

整個船舶攔截過程分為以下幾個階段：①航行船舶碰撞攔截系統(tǒng)的觸發(fā)索，帶動系泊大浮體和自適應(yīng)小浮筒往前運動；②當(dāng)系泊大浮體的錨鏈和自適應(yīng)小浮筒之間的纜繩被拉緊后，觸發(fā)索才開始沿船頭往下滑動，隨后帶動自適應(yīng)小浮筒尾部沉入水中，在浮力作用下，自適應(yīng)小浮筒的頭部開始上翹；③隨著船舶繼續(xù)往前運動，自適應(yīng)小浮筒的頭部上翹程度越來越大，自適應(yīng)小浮筒的系攔截網(wǎng)超過船頭高度，并包裹住船頭；④當(dāng)攔截網(wǎng)包裹住船頭后，如果船舶動能較小，攔截網(wǎng)可以直接攔截住船舶；當(dāng)船舶動能較大時，觸發(fā)索斷裂，恒阻力機構(gòu)開始啟動來消耗船舶動能。在小模型試驗中，我們用拖動砝碼來模擬恒阻力機構(gòu)。

二是船舶側(cè)撞半固定樁自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)。自適應(yīng)攔截系統(tǒng)在小型船舶側(cè)撞(夾角約50度)下的運動情況見圖10所示。小模型實驗結(jié)果顯示：在側(cè)撞條件下，整個攔截系統(tǒng)的運動情況與正撞情況比較類似，雖然側(cè)撞條件比較惡劣，船舶碰撞觸發(fā)索后，船舶會沿著觸發(fā)索橫向移動，這將影響觸發(fā)索沿船頭向下滑動的行為，從而影響自適應(yīng)小浮筒的運動姿態(tài)?？傮w來看，側(cè)向撞擊下整個攔截系統(tǒng)的效果比正撞條件要差一些，但不影響總體攔截效果。

圖10 側(cè)撞工況下攔截系統(tǒng)攔截船舶過程

5.結(jié)論與創(chuàng)新點

5.1 主要結(jié)論

①針對非通航孔橋梁的特點以及高水位差水域特點，提出了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)，不僅實現(xiàn)對橋梁的安全防護，同時也保護航行船舶的安全；

②基于能量守恒原理，提出了恒阻力裝置的設(shè)計方法，通過理論計算、實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合研究了恒阻力裝置的能量吸收行為；

③開展了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截設(shè)施的物模實驗，驗證了理論數(shù)據(jù)并考察船舶碰撞角度對攔截效果的影響。

5.2 創(chuàng)新點

①基于全浮式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)，提出了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力船舶攔截技術(shù)，該新技術(shù)的創(chuàng)新點：改變船舶攔截設(shè)施的固定方式——從系泊躉船改為固定樁，不僅解決了淺灘海域系泊躉船難以拋錨固定問題，還大大節(jié)約了工程造價；半固定樁式——靠岸邊的淺灘海域，采用固定樁而另一端仍然采用系泊躉船，這種創(chuàng)新設(shè)計解決了高水位差的變化問題，通過一端的系泊躉船可以實現(xiàn)整個攔截系統(tǒng)潮起潮落。

②開展了半固定樁式自適應(yīng)恒阻力攔截設(shè)施的物模實驗，原理上驗證了新型船舶攔截技術(shù)的可行性，同時也分析了其與全浮式自適應(yīng)恒阻力攔截設(shè)施相比之優(yōu)缺點。