新型FRP桥墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亚迪, 张锡祥, 姜 旭

(重庆交通大学土木建筑学院， 重庆 400074)

新型FRP桥墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亚迪, 张锡祥, 姜 旭

(重庆交通大学土木建筑学院， 重庆 400074)

随着航道通航量增加，对桥墩的防护不断有新方法引入，基于在桥墩防撞结构中首次引入FRP新型材料的防撞浮箱有限元仿真分析，探索这种新型结构在桥墩防撞方面的优势，应用FRP防撞浮箱能达到“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的设计目的，实现长效防撞。

纤维增强复合材料；桥墩；防撞浮箱；船舶；有限元仿真分析

重庆黄花园嘉陵江大桥主桥上部结构为137.16 m+3×250.00 m+137.16 m的五跨预应力混凝土连续刚构桥，其连续长度1 024.32 m。大桥于2000年建成交付使用后，大桥被船撞击事故时有发生。为保证大桥安全，对船撞风险较大的2号主墩和3号主墩设计了围护在桥墩墩柱周围的纤维增强复合材料(FRP)防撞浮箱作为被动防撞保护结构，使桥墩受到不大于其设防船撞击力的失控船舶撞击时，经FRP浮箱消能后传给桥墩的船撞击力小于桥墩的自身抗力，从而保证桥墩和全桥结构安全。

一年当中嘉陵江水位是不断变化的，本文选取最低水位黄海高程174 m，具有代表作用的工况进行计算分析。船按照1.5 m吃水深度取值，撞击吨位和撞击速度分别选择设计时考虑的最大撞击吨位1 600 t和速度3 m/s。

1 有限元仿真分析目的

船桥碰撞是一个复杂的非线性动力学问题，是通过碰撞区域内的结构或者构件的变形和压溃，在短时间内将巨大的冲撞能量吸收、转化和耗散的非线性动力响应过程。应用有限元仿真分析研究FRP应用在桥梁防撞结构中的耗能效果，通过有限元仿真计算为实际工程试验方案完善和试验参数选取提供依据，更期望通过试验与有限元仿真计算结果对比，检验针对同一结构和相同荷载工况及边界条件进行的结构计算的可靠性及计算结果可信度，从而为黄花园大桥的桥墩FRP防撞浮箱工程施工图设计提供既有科学依据、又有足够精度还偏于安全的计算方法。

2 有限元模型的建立

2.1 代表船型选取和船舶有限元模型的建立

根据设计要求，计算采用内河航运常用的驳船模型，总质量1 600 t，船舶材料参数如表 1、表 2所示，船舶采用壳单元划分，为了减小计算量，船头单元尺寸较小，平均尺寸10 cm，而船尾在撞击过程中变形极小，可以采用刚性单元，最大单元尺寸取115 cm，全船共划分单元20 262个，有限元模型如图1。

表1 桥墩及船舶主要构件的材料参数表

表2 船头补充参数

图1 撞击船舶有限元模型

2.2 FRP防撞浮箱模型的建立

FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式，为围护在桥墩四周的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组成的组合结构。FRP外围箱体结构，为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构；FRP内衬柱壳构件，为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构。

黄花园嘉陵江大桥FRP防撞浮箱材料及构件基本力学性能根据拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、剪切试验、冲击韧性试验等得出。FRP桥墩防撞浮箱新结构，为全FRP结构，各构件分别为碳纤维增强复合材料(CFRP)或玻璃纤维增强复合材料(GFRP)或芳纶纤维增强复合材料(AFRP)杆系构件或薄壳构件。各构件的材料选择和截面尺寸，根据构件的抗撞受力要求和能量吸收、动量缓冲要求按复合材料力学理论分析计算和设计确定。

FRP防撞浮箱采用壳单元划分，单元主要控制尺寸为20 cm，为了提高计算速度，尽量采用四边形单元进行划分，整个浮箱约划分160 000单元，整个系统共约划分26.4万个单元，整个系统的有限元模型参见图2。

图2 FRP防撞浮箱有限元模型

2.3 桥墩模型的建立

本次计算选取受力不利的2号墩进行，墩和主梁为固结体系，主梁质量相当大，在船-墩的碰撞过程中，碰撞时间非常短，主梁提供了强大的惯性约束，因此，主梁顶端可以简化为固结模式，墩底为基岩，亦可采用固结模式。

桥墩采用六面体单元划分，主要单元尺寸为竖向50 cm长，截面尺寸为20 cm，在船舶撞击部位，竖向尺寸加密，碰撞区最大竖向尺寸为20 cm，共约划分84 000个单元。材料参数如表3。

表3 桥墩模型材料参数

2.4 单元退出计算的准则

由于FRP材料的防撞浮箱材料为脆性材料，第一强度理论适用于这种脆性材料，该理论认为最大拉应力是使材料发生断裂破坏的主要因素，即认为不论是什么应力状态，只要最大拉应力达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生断裂。既然最大拉应力的极限值与应力状态无关，于是就可用单向应力状态确定这一极限值。单向拉伸时只有σ1(σ2=σ3=0)，当σ1达到强度极限σb时即发生断裂。故据此理论得知，不论是什么应力状态，只要最大拉应力σ1达到σb就导致断裂。在模型试验中，FRP材料的拉伸强度已经得到，横向为300 MPa，纵向为150 MPa。按弹性材料计算，碰撞完成后，应力超过150MPa的单元假设为破损单元，该方法结果为近似结果，计算速度较快。

3 碰撞及接触条件的定义

接触是碰撞分析常用的一种约束方式，整个浮箱由12个子箱组成，子箱之间通过卡榫连接。从力学模型上分析，是一种典型的接触受力模式。本计算模型中，船和浮箱或桥墩之间LS-DYNA中提供的面—面接触；浮箱与桥墩之间也采用面—面接触；整个浮箱采用计算速度最快的自动单面接触模式。接触参数：FRP材料之间的接触静摩擦系数取0.233，动摩擦系数取0.15；船舶静摩擦系数取0.30，动摩擦系数取0.20；船舶对FRP箱或桥墩混凝土的静摩擦系数取0.30，动摩擦系数取0.20； FRP材料与混凝土之间的静摩擦系数取0.30，动摩擦系数取0.20。荷载以速度的方式体现，在船舶行驶方向设定计算速度3 m/s，不计加速度及自重。计算时间取3 s，试算发现，对于裸墩而言，计算时间超过1s即可；对于带FRP防撞浮箱的结构，则采用3 s。

4 有限元仿真结果及分析

在裸墩工况下船撞整体有限元模型如图3，船头直接与桥墩接触撞击，桥墩与船头刚度均较大，缓冲距离小、撞击时间短、相互作用力大，对桥墩安全十分不利。

带FRP防撞浮箱工况的船撞整体有限元模型如图 4，FRP防撞浮箱为桥墩提供了缓冲，吸收了船的动能，延长了接触时间，使桥墩受力减少。

图3 中心正撞裸墩头部

图4 中心正撞FRP防撞浮箱头部

碰撞过程中，碰撞系统的能量是守恒的，碰撞过程也即是能量的转换过程，从能量的状态变化可以看出计算可靠性。在船舶撞击裸墩的过程中，动能向内能转换是主要出现的能量交换方式。裸墩及带浮箱船撞计算的能量变化状态参见图5～图7，桥墩受撞击力变化参见图8～图9。

图5 裸墩工况系统能量变化

图6 带FRP防撞箱工况系统能量变化

图7 FRP防撞浮箱能量变化

图8 裸墩工况桥墩受到的撞击力结果

图9 带FRP防撞浮箱工况桥墩受到的撞击力结果

从能量角度分析，对于裸墩而言，船舶动能减小而内能迅速增加，说明船舶变形极大；而撞击FRP浮箱时，船舶的内能增加较小，但FRP浮箱的内能增加极快，说明FRP浮箱产生了较大的变形，吸收了能量。桥墩两端约束，无法大幅度运动，因此以内能为主，并且在带有FRP浮箱时，内能峰值出现比裸墩时晚，船直接撞击裸墩时，峰值出现时间没有超过0.6 s，而采用浮箱保护后，撞击峰值出现的时间都超过了1.6 s。从能量的角度可以看出，FRP浮箱作用是非常明显的，吸收了能量的同时，减小了桥墩能量的峰值并且延长了桥墩能量峰值出现的时间。

表4 FRP防撞浮箱的船撞动能转换及其消能比例计算结果

从桥墩受到船撞击力角度分析，桥墩受到的撞击力计算对比结果如表5，可以看出带有FRP浮箱撞击工况下的桥墩应力相比裸墩受船撞击时的应力降低幅度极大，说明FRP防撞浮箱保护桥墩效果显著。

表5 桥墩的船撞击力计算对比结果

从船头受到的应力角度分析如图10、图11，采用FRP浮箱保护后，船头的应力有大幅度降低；船舶撞击凹陷深度会有较大幅度的降低，撞击并未对船舶整体产生破坏性作用，仅局部产生变形，表明FRP浮箱能够达到“少伤船”的目的，说明FRP防撞浮箱保护船舶效果显著。FRP防撞浮箱的变形能力也使得自身在发生变形后有较少损伤，损伤组件可方便更换，整体结构可继续使用。综上所述，就数值计算结果而言，FRP防撞浮箱能达到“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的设计目的。

图10 裸墩撞击工况船首变形

图11 带FRP防撞浮箱撞击工况 船首及浮箱变形图

5 结论

桥梁防撞结构经过多年发展，防护系统的种类已经很多，能够给予桥梁长期的稳定、安全、易于维护的防撞保护逐渐成为可实现的目标，FRP防撞浮箱充分发挥新材料的特性，加以合理结构设计，在撞击吸能方面有突出优势，结构的高度非线性使撞击时间大大延长，撞击过程中对船和桥墩应力时程曲线趋于缓和，既保护了桥梁又保护了船舶。同时，浮箱结构的模块化组件，单构件质量轻，在发生撞击后部分组件如发生破损可快速方便的更换组件，恢复整体结构可用性。本次计算中FRP的材料优势明显，为结构产生大变形非线性变形后产生尽可能少的结构自伤只有较好效果，FRP在其他结构类型防撞装置中的应用也应进行探索尝试。

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Finite element analysis of late—model frp floating pontoon for bridge piers in ship collision

DU Bai-song， LI Ya-di， ZHANG Xi-xiang， JIANG Xu

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

With the rising volume of navigation channels, new methods for the protection of bridge piers were introduced. This paper, based on the firstly introduced finite element analysis of FPR floating pontoonfor protection of bridge piers in the ship collision, explores the advantages of this new structure in collision avoidance of bridge piers. With the usage of FPR floating pontoon, the design goal of “no harm to piers, no harm to ships, decreased self-hurt of the structure” can be obtained so as to achieve long-term protection.

fiber reinforce plastic；bridge piers；floating pontoon；ships；finite element analysis

2013-12-20

杜柏松(1976-)，男，湖北黄冈人，博士，重庆交通大学土木建筑学院副教授。

1674-7046(2014)01-0010-05

U443.22

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