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桥梁防撞设计中船舶撞击力计算方法分析

2016-12-12许富琳陈立新

公路与汽运 2016年6期
关键词:撞击力防撞桥墩

许富琳,陈立新

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430060)

桥梁防撞设计中船舶撞击力计算方法分析

许富琳,陈立新

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430060)

介绍了理论公式计算、碰撞试验和有限元仿真分析3种目前常用的船舶-桥梁撞击力计算分析方法;以北江航道扩能升级工程中的白土大桥为例,对比分析了中国公路、铁路规范和欧美规范中所推荐的撞击力公式的计算结果,分析了理论计算公式的局限性,探讨了有限元仿真分析应用于撞击力计算的优越性,为桥梁防撞设计提供参考。

桥梁;防撞设计;船舶撞击力;有限元仿真分析

随着公路、水运事业的发展,越来越多的跨越航道的桥梁投入使用,船舶数量、吨位和航速不断增加,船舶与桥梁相撞事故时常发生,造成巨大人员、经济、社会、环境等方面的损失。JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》明确规定航道内可能遭受大型船舶撞击的桥墩应进行防撞设计。

船舶撞击力的确定是防撞设计的首要环节和基础,船舶撞击力选取是否恰当,直接影响桥梁结构的安全性和防撞方案的经济性。由于船舶与桥梁结构的碰撞过程十分复杂,与碰撞时的环境(风浪、气候、水流等)、船舶特性(船舶类型、尺寸、行进速度、装载情况及船首、船壳的强度与刚度等)、桥梁结构(构件尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等)及驾驶员的反应时间等因素有关,要确定船舶对桥梁的撞击力非常困难。现有设计规范涉及桥梁-船舶撞击力的内容不多,且国内外虽然对船舶撞击有一定研究,但由于撞击过程是一个复杂的力学问题,采用不同的分析方法,计算结果相差较大,导致撞击力的取值在工程设计中存在较大困难。

1 船舶-桥梁撞击力计算方法

目前国内外常用的船舶-桥梁撞击力计算方法有理论公式、碰撞试验和有限元仿真分析。

1.1 理论公式

包括中国公路、铁路规范在内,世界上不同组织提出了数十种船舶撞击力的经验公式。这些公式计算快捷、简便,但它们是在特定的船型、速度和角度等撞击情况下通过统计数据得来的,通常存在一定的局限性,导致计算结果与实际撞击情况有较大差别,而且采用不同的公式,计算结果也不尽相同。

较常用的船舶撞击力计算公式有4种:1)JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》取消了1~3级航道撞击作用的推荐设计值,参考漂流物的撞击公式[见式(1)]计算船舶撞击力;2)TB 10002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》中的撞击力计算公式[见式(2)];3)AASHTO1994《美国公路桥梁设计规范》中的船舶撞击力计算公式[见式(3)];4)国际桥梁和结构工程协会(IABSE)采用的索尔-诺特-格林纳计算公式[见式(4)]。

式中:W为船舶重量(k N);v为撞击速度(m/s);T为撞击时间(s);γ为动能折减系数;α为船只与桥梁撞击点处切线所成的夹角;C1、C2为船舶和墩台的弹性变形系数(m/k N);DWT为船舶吨位(t);Dact为船撞击时排水量(t);Dmax为船满载时排水量(t)。

上述计算公式中考虑的因素不尽相同(见表1),具有以下特点:1)都是从能量理论、试验研究、数值计算三方面推导出的;2)都与船舶的航行速度和船舶重量有关;3)均认为船舷与被撞结构发生全接触,未考虑被撞结构尺度、形状对于撞击力的影响;4)在特定假设条件下推出,在使用上均有一定的局限性。

1.2 碰撞试验

从20世纪80年代初开始,世界各国开始进行船舶碰撞试验,通过一系列碰撞模型试验得到结构损伤变形、冲击力历程和能量交换过程,进而验证理论计算结果与试验结果的符合程度。结果表明:船舶撞击力与结构变形之间存在非常复杂的关系,具有很强的非线性特征。碰撞试验的优点:由于船舶碰撞现象表现为强非线性,许多细节无法用理论模型来表达,通过模型试验可从中获取可靠数据,认识碰撞过程中的各种影响因素。缺点:由于模型试验费用昂贵,试验周期长且普遍适用性差,在工程中对每座桥梁进行模型试验显然是不切实际的。

表1 各规范船舶撞击力计算中考虑的因素

1.3 有限元仿真分析

随着计算机在运算速度、内存容量和图形功能等方面的发展,软件技术不断推陈出新,目前已成功开发了许多非线性有限元仿真软件,如ANSYS/LS -DYNA、ABAQUS、MSC/DYTRAN和MARC等,运用这些仿真软件可完成船舶-桥梁碰撞的计算。在模拟准确的情况下,通过有限元仿真计算结果与碰撞试验结果的对比,仿真分析结果准确、可靠。因此,有限元仿真分析越来越受到青睐。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

以北江(韶关—乌石)航道扩能升级工程中的白土大桥为例,对船舶-桥梁撞击力理论公式计算结果与有限元数值分析结果进行对比分析。

白土大桥是一座空腹式梁拱组合结构桥梁,采用实体式桥墩。航道整治后,北江航道等级由五级提升为三级,通航船舶吨位从300 t提升为1 000 t,船型尺寸、船舶吨位提升显著,且船舶通航流量大幅增加,导致桥梁被船舶撞击的风险加大。而白土大桥建成时间较早,设计标准较低,不能满足1 000 t船舶的撞击,需增设防撞设施。在确定防撞设施方案、尺寸之前,需确定船舶与桥梁的撞击力。

根据航道现状和总体规划,北江航道的设计代表船型为1 000 t级内河干货船和1 000 t级多用途集装箱船,船型尺寸见表2。

表2 北江航道设计代表船型的尺寸m

选取代表船型中尺寸大的1 000 t级内河干货船作为设计计算船型,该船型的三维视景见图1。

图11 000 t级干货船的三维视景

2.2 船舶-桥梁撞击力计算

2.2.1 理论公式计算

假设1 000 t级内河干货船在3 m/s的航行速度下以90°正面撞击桥梁,运用上述4种规范中的撞击力公式进行计算,结果见表3。

表31 000 t船舶撞击力计算结果 MN

由表3可看出:采用AASHTO1994规范和欧洲IABSE规范中的公式计算的船舶撞击力相近,与中国两规范公式的计算结果相比偏大。由于各种规范采用的是根据各自研究成果形成的经验公式,而实际情况下航行的船舶类型、主尺度离散性很大,桥墩形式也有很大差别,运用经验公式进行计算所得的结果常与实际有较大差距。

2.2.2 有限元仿真分析

采用通用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立包括船体和桥墩两部分的有限元模型,船舶分别采用梁单元、杆单元及壳单元模拟,桥墩采用实体单元模拟。船首部位采用Plastic Kinematic材料模型,桥墩采用ELASTIC材料模型,其余部位采用ELASTIC材料模型。计算模型见图2。通过计算分析,得到船舶撞击过程中的时间-碰撞力曲线(见图3)。

图2 船舶-桥梁撞击有限元模型

图3 船舶撞击过程中的时间-碰撞力曲线

由图3可看出:撞击过程中,船舶瞬时撞击力峰值为7.41 MN,比采用中国规范公式计算的数值偏大,介于中国规范与欧美规范理论计算值之间。有限元仿真分析考虑了船舶与桥梁的材料、尺寸及碰撞时的结构变形等因素,其精度比理论公式更高。

3 结语

下的一种复杂非线性动态响应过程,涉及多门学科,很难建立一个精确的数学模型使之完全解析,而实体碰撞试验研究耗资巨大难以付诸实施。随着数值计算方法的改进和计算机硬件设备的提高,采用有限元仿真模型进行船舶-桥梁虚拟碰撞试验成为可能。通过理论公式、模型试验、有限元分析结果对比,在模拟准确的情况下,有限元分析结果与模型试验结果基本接近,计算精度能满足工程设计需要,而理论公式计算结果与模型试验结果差距较大。因此,有限元数值仿真分析必将成为计算船舶-桥梁撞击力的首选方法,并在工程实践中得到越来越广泛的应用。

[1] JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[2] 国际桥梁和结构工程协会(IABSE).交通船只与桥梁结构的相互影响(综述与指南)[R].国际桥梁和结构工程协会,1991.

[3] AASHTO1994,美国公路桥梁设计规范[S].

[4] 李雅宁.船桥碰撞的非线性有限元仿真研究[D].上海:上海交通大学,2000.

[5] 陈国虞.关于船对桥墩的正撞力[A].第15届全国桥梁学术会议论文集[C].上海:同济大学出版社,2002.

[6] 姜河蓉.船和桥墩防撞装置碰撞仿真模拟研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[7] 涂红轩.桥墩撞击力计算方法及应用[J].公路交通科技:应用技术版,2008(2).

[8] 段敏,王银辉,袁伟东.船舶撞击桥梁分析方法探讨[J].公路与汽运,2015(6).

[9] 张峰.跨海大桥桥墩防撞技术[D].上海:同济大学,2007.

由于船舶与桥梁的碰撞是在瞬间巨大荷载作用

U442.5

A

1671-2668(2016)06-0162-03

2016-05-25

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