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      船橋碰撞撞擊力影響因素分析

      2021-11-10 11:29:16花澤春
      交通科技 2021年5期
      關(guān)鍵詞:撞擊力橋墩峰值

      喻 釗 花澤春

      (1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢 430208; 2.武漢車都投資控股有限公司 武漢 430058)

      橋墩是確保橋梁整體性和安全運營的重要結(jié)構(gòu),為了避免船橋碰撞事故產(chǎn)生災(zāi)難性后果,針對橋梁進行防船撞研究具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。高動量的船舶撞擊橋墩時會產(chǎn)生巨大的撞擊力,撞擊力的得出是進行橋梁防撞設(shè)計的關(guān)鍵。影響撞擊力的因素眾多,比如,船舶結(jié)構(gòu)、形狀和剛性,船舶質(zhì)量、附連水影響、船舶碰撞時的速度、橋墩的幾何形狀等等。在這些影響因素中,最常見的就是船舶撞擊速度和船舶撞擊質(zhì)量的影響,各國規(guī)范也將這2個因素作為主要的影響因子計入撞擊力公式。

      本文擬基于數(shù)值模擬方法,模擬1 000 t散裝貨船以4 m/s正撞橋墩的各種工況,討論船舶撞擊速度、撞擊質(zhì)量、撞擊角度,以及船艏剛度對于撞擊力的影響,并與規(guī)范進行比較,為今后橋墩防船撞設(shè)計相關(guān)規(guī)范制訂提供參考。

      1 撞擊力計算公式

      各國的研究者以及各國在制訂橋梁設(shè)計規(guī)范時提出了撞擊力計算公式,這些公式有的是基于能量交換原理及沖量原理得出,有的是在試驗基礎(chǔ)上統(tǒng)計得出,有的則是在大量的數(shù)值仿真基礎(chǔ)上得出。以下介紹幾個常用的經(jīng)驗公式和規(guī)范公式。

      1.1 修正Woision公式

      P=0.024(V·Dmax)2/3

      (1)

      式中:P為撞擊力,MN;V為船舶速度,m/s;Dmax為船舶的滿載排水量,t。

      1.2 Saul SveIsson-Knott-Greiner公式

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

      (2)

      式中:Pmax為最大撞擊力,MN;DWT為船舶載重量,t;V為撞擊時船舶速度,m/s;Dact為撞擊時的排水量,t;Dmax為船舶滿載排水量,t。

      1.3 美國國家公路與運輸協(xié)會AASHTO公式

      P=1.2×105V(DWT)1/2

      (3)

      式中:P為撞擊力,N;V為船舶撞擊速度,m/s,;DWT為船舶載重量,t。

      1.4 中國公路橋梁設(shè)計規(guī)范公式

      P=WV/(gT)

      (4)

      式中:P為漂流物撞擊力,kN;W為漂流物重量,kN;V為水流速度,m/s;T為撞擊時間,s;g為重力加速度,9.81 m/s2。

      1.5 中國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范公式

      F=γVsinα[W/(C1+C2)]0.5

      (5)

      式中:F為撞擊力,kN;γ為動能折成系數(shù),當(dāng)船舶斜撞橋墩取0.2,船舶正撞橋墩取0.3;V為船舶撞擊速度,m/s;α為船舶運動方向與橋墩撞擊點處切線的夾角,無法確定時取20°;W為船只或者排筏重量,kN;C1、C2為船舶、橋墩的彈性變形系數(shù),一般取0.000 5 m/kN。

      2 有限元模型

      船舶研究對象選擇常見的有球鼻艏的散裝貨船,船載質(zhì)量(載重量)1 000 t,船長73.8 m,船寬16.1 m,船高11.7 m,船舶鋼板厚度10 mm。船舶分為前部球鼻艏、中部甲板和后部船艙。船艏內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,船艏結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)有很多加勁板件,為簡化模型,將加勁板件等效到甲板層厚度中。由于本文的研究重點主要集中在撞擊力上,且橋梁上部結(jié)構(gòu)的存在與否對撞擊力基本無影響,同時為了簡化分析問題,因此,有限元模型中只考慮橋墩結(jié)構(gòu),同時忽略橋梁上部結(jié)構(gòu),忽略樁土作用,橋墩底部采用固結(jié)處理[3]。

      球鼻艏采用SHELL163單元,網(wǎng)格尺寸10 cm。船舶甲板采用SHELL163,單元網(wǎng)格尺寸50 cm。船艙采用SOLID164單元,網(wǎng)格尺寸100 cm,橋墩采用SOLID164單元,網(wǎng)格尺寸50 cm。船橋碰撞有限元整體模型見圖1。

      圖1 船橋碰撞有限元整體模型

      為模擬各結(jié)構(gòu)之間的碰撞,需要在可能發(fā)生接觸的結(jié)構(gòu)之間定義接觸。在碰撞過程中,船舶會發(fā)生較大變形,為了防止自身結(jié)構(gòu)的穿透,針對船艏設(shè)置單面自動接觸,船艏與橋墩設(shè)置為面面自動接觸。在碰撞過程中,接觸的界面上存在相對滑動,需要考慮摩擦力的作用,本計算中鋼材與鋼材之間的摩擦系數(shù)取0.3,鋼材與混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.25。

      3 材料參數(shù)

      3.1 鋼結(jié)構(gòu)材料

      本計算中球鼻艏、船舶甲板采用鋼材。鋼結(jié)構(gòu)材料定義為雙線性彈塑性材料,材料達到屈服后應(yīng)力按線性硬化,雙線性彈塑性材料本構(gòu)模型見圖2。

      圖2 雙線性彈塑性材料本構(gòu)模型

      船橋碰撞是在短歷時尺度上發(fā)生載荷顯著變化的過程,碰撞過程必定伴隨著高應(yīng)變率[4-5]。低碳鋼的塑性性能對于應(yīng)變率是高度敏感的,因此,在碰撞中必須考慮應(yīng)變率的影響,通常采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程。

      (6)

      (7)

      本文采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,該模型是各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型,與應(yīng)變率有關(guān),可考慮失效,失效應(yīng)變?nèi)?.35,本計算中取鋼材的密度7 830 kg/m3,彈性模量200 GPa,泊松比0.3,屈服強度235 MPa,切線模量1 180 MPa。

      3.2 混凝土材料

      HJC材料模型最適合于船橋碰撞這樣的低速碰撞問題[6-7]。因此,本文橋墩混凝土材料采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模擬,即HJC材料模型。本文計算中HJC模型采用的具體參數(shù)見表1。

      表1 混凝土HJC模型材料參數(shù)

      3.3 剛體材料

      一個剛體有6個自由度,無論剛體上的單元和節(jié)點有多少,計算出剛體質(zhì)心的運動量后就可以得到剛體上各點的運動情況,程序?qū)傮w的計算效率很高,通??梢园炎冃瘟亢苄〉奈矬w視為剛體。船體后部船艙的變形可以忽略不計,因此,為了節(jié)省計算資源,提高計算效率,船體后部船艙采用剛體材料模擬。調(diào)整剛體材料密度為185 kg/m3,模擬貨船載重質(zhì)量(載重量)為1 000 t,材料彈性模量200 GPa,泊松比0.3。

      4 撞擊力影響因素

      4.1 船舶撞擊速度影響

      為分析船舶撞擊速度對撞擊力的影響,控制其他條件不變,僅改變船舶撞擊速度分別為2,3,4,5,6 m/s。有限元模型中,船舶和橋墩之間有一定的初始距離,因此,船舶的撞擊速度越大,船舶越早接觸橋墩,撞擊力也越早響應(yīng),這一點與圖中曲線相符,不同船舶撞擊速度條件下撞擊力時程曲線見圖3。

      圖3 不同撞擊速度撞擊力時程曲線

      由圖3可知,隨著船舶撞擊速度的增加,撞擊力作用時間增加,撞擊力峰值增加。船舶撞擊速度分別為2,3,4,5,6 m/s時,撞擊力峰值分別為6.92,11.18,13.19,13.97,15.26 MN。另一方面,圖3時程曲線表現(xiàn)出明顯的非線性,撞擊速度越大,非線性越顯著。碰撞初期,船舶接觸橋墩,撞擊力均迅速增加,隨后,船艏結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性變形,撞擊力繼續(xù)增加。船舶撞擊速度不超過4 m/s時,時程曲線基本呈單峰狀,船舶撞擊速度為5 m/s時,時程曲線呈雙峰狀,船舶撞擊速度為6 m/s時,時程曲線呈多峰狀。時程曲線的非線性表征了船舶結(jié)構(gòu)的損傷和破壞失效,船舶撞擊速度越大,非線性越明顯,說明了船舶損傷越嚴重。

      不同撞擊速度條件下,船艏結(jié)構(gòu)的變形對比見圖4。

      圖4 不同撞擊速度船艏結(jié)構(gòu)變形對比圖

      由圖4可知,在低速撞擊時,船艏上甲板與球艏發(fā)生壓潰變形,隨著撞擊速度的增加,壓潰深度和壓潰面積加大,甚至出現(xiàn)了球艏破壞失效的情況,與圖3撞擊力時程曲線分析結(jié)果吻合。

      撞擊力峰值與船舶撞擊速度之間的關(guān)系見圖5。

      圖5 船舶撞擊速度與撞擊力峰值關(guān)系圖

      由圖5可知,撞擊力峰值與船舶撞擊速度基本上呈分段線性關(guān)系,分2個階段,第一階段,撞擊速度不超過4 m/s時,撞擊力隨撞擊速度的增加較快,第二階段,撞擊速度超過4 m/s后,撞擊力增長速率趨緩。

      換句話說,在船舶低速撞擊時,撞擊力對速度比較敏感,在船舶以較高速度撞擊橋墩時,撞擊力對撞擊速度的敏感性降低,而由公式(1)~(5)可知,我國公路規(guī)范、鐵路規(guī)范,以及美國AASHTO規(guī)范并沒有考慮這一點,而是將撞擊速度的影響作為單線性考慮。

      在1 000 t散裝貨船撞擊橋墩條件下,由MATLAB擬合撞擊力峰值和撞擊速度之間的關(guān)系為

      (8)

      不同撞擊速度條件下撞擊力仿真計算值與中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范、AASHTO規(guī)范及修正Woision公式撞擊力的對比結(jié)果見圖6。

      圖6 仿真計算值與規(guī)范值對比

      由圖6可知,相同參數(shù)條件下,采用不同的規(guī)范公式得到的撞擊力差異較大。各規(guī)范得到的撞擊力與有限元計算值也有差異,主要原因是有限元仿真值為撞擊力時程曲線的峰值,而各規(guī)范計算得到的撞擊力為等效靜力荷載,兩者并不能完全等同,相對于有限元仿真值,采用中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范,以及修正Woision公式計算得到撞擊力均偏小,中國鐵路規(guī)范與修正Woision公式計算得到的撞擊力相差不大,并且隨著撞擊速度的增大,兩者差別越來越小。AASHTO規(guī)范計算得到的撞擊力偏大于有限元仿真值,在低速撞擊情況下,兩者基本吻合,隨著船舶撞擊速度的增加,兩者差異愈來愈大,因此,AASHTO規(guī)范公式適合船舶低速撞擊橋墩的情況。

      4.2 船舶質(zhì)量影響

      為分析船舶質(zhì)量對撞擊力的影響,控制其他條件不變,通過改變船體后部船艙剛體材料的密度,模擬船舶質(zhì)量分別為250,500,750,1 250,1 500 t。不同船舶質(zhì)量條件下撞擊力時程曲線見圖7。

      圖7 不同船舶質(zhì)量撞擊力時程曲線

      由圖7可知,隨著船舶質(zhì)量增加,船舶與橋墩之間的作用時間增加,撞擊力峰值增加。船舶質(zhì)量分別為250,500,750,1 000,1 250,1 500 t時,撞擊力峰值分別為6.55,8.27,12.34,13.19,16.85,20.73 MN。時程曲線均呈單峰狀。

      不同撞擊質(zhì)量條件下撞擊力仿真計算值與中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范、AASHTO規(guī)范以及修正Woision公式撞擊力的對比結(jié)果見圖8。

      圖8 仿真計算值與規(guī)范公式對比圖

      由圖8可知,仿真計算值與AASHTO規(guī)范公式吻合較好。相對于有限元仿真值,中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范,以及修正Woision公式均偏小,中國鐵路規(guī)范與修正Woision公式計算得到的撞擊力相差不大。

      4.3 撞擊角度影響

      船舶撞擊橋墩一般都是在船舶偏離航線時發(fā)生,因此,船舶往往是斜向撞擊橋墩。在這里,定義撞擊角度為船舶的航行方向與撞擊點處法線之間的夾角,撞擊角度示意見圖9。

      圖9 撞擊角度示意圖

      為分析撞擊角度對撞擊力的影響,控制其他條件不變,改變撞擊角度分別為15°,30°,45°,60°,不同撞擊角度條件下船舶撞擊橋墩的撞擊力時程曲線見圖10。由圖10可知,撞擊角度分別為0°,15°,30°,45°,60°時,對應(yīng)的撞擊力峰值分別為13.19,11.43,6.27,4.01,1.90 MN,隨著撞擊角度的增加,撞擊力峰值持續(xù)降低,這是因為隨著撞擊角度的增加,船舶沿撞擊點處的法向速度分量減小,沿撞擊點處的切向速度分量增加。因此,在船舶撞擊橋墩過程中,船舶沿著切向滑離橋墩,撞擊角度越大,滑離的速度越大,船舶參與撞擊的能量越小,撞擊力就越小。

      圖10 不同撞擊角度撞擊力時程曲線

      另外,撞擊角度對于撞擊力的峰值影響較大,然而各國規(guī)范中考慮了船舶撞擊角度的并不多,我國鐵路規(guī)范中將角度的正弦值計入撞擊力公式中。不同撞擊角度條件下撞擊力仿真計算值與中國鐵路規(guī)范撞擊力的對比結(jié)果見圖11。

      圖11 仿真計算值與規(guī)范公式對比圖

      由圖11可知,相對于有限元仿真值,中國鐵路規(guī)范計算得到的撞擊力偏小,隨著撞擊角度的增大,有限元仿真值與規(guī)范公式撞擊力差值越來越小,在撞擊角度為60°時,兩者基本吻合。因此,中國鐵路規(guī)范撞擊力經(jīng)驗公式適合較大角度斜撞工況。

      4.4 船艏剛度影響

      通航河道內(nèi)行駛著不同類型的船舶,它們具有不同的船艏剛度。為簡化分析問題,通過改變船艏鋼板的厚度來模擬不同的船艏剛度,以分析不同的船艏剛度對船舶撞擊力的影響。為此,保持其他條件不改變,改變船艏鋼板厚度分別為11,12,13,14 mm。

      不同船艏剛度條件下的撞擊力時程曲線見圖12。由圖12可知,隨著船艏鋼板厚度的增加,即船艏剛度的增加,撞擊力作用時間減少,撞擊力峰值增加。船艏鋼板厚度分別為10,11,12,13,14 mm時,撞擊力峰值分別為13.19,14.66,16.01,17.26,18.07 MN。

      圖12 不同船艏剛度撞擊力時程曲線

      5 結(jié)論

      1) 各國規(guī)范公式在相同條件下計算得到的撞擊力相差較大。相對于有限元仿真值,中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范,以及修正Woision公式均偏小,中國鐵路規(guī)范與修正Woision公式計算得到的撞擊力相差不大。AASHTO規(guī)范的經(jīng)驗公式得到的撞擊力與有限元仿真值吻合較好,特別適合船舶低速撞擊情況,中國鐵路規(guī)范公式適合較大角度斜撞工況。

      2) 船舶撞擊速度、撞擊質(zhì)量、撞擊角度及船艏剛度均對撞擊力有較大影響。而常用的規(guī)范公式中一般僅考慮了撞擊速度和撞擊質(zhì)量的影響,因此,規(guī)范中的經(jīng)驗公式仍需進一步完善。

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