基于非线性数值模拟的桥梁船撞力主要影响因素研究

王红梅

【摘 要】船舶的碰撞载荷是桥梁设计的重要控制数据之一。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对船舶与带FRP防撞浮箱的桥墩碰撞过程进行数值模拟，分析船舶在各种工况下的撞击力时间历程，讨论船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度等主要因素对桥梁船撞力的影响，得到船撞力与各影响因素之間的内在规律。

【关键词】船桥碰撞；数值模拟；船撞力

中图分类号： U441 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0155-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.075

【Abstract】The collision load of ship is one of the important control data of bridge design. In this paper， ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the collision process between ship and pier with FRP anti-collision floating box. This paper analyzes the time history of ship collision force under various working conditions， discusses the influence of ship collision speed， ship mass and ship collision angle on bridge ship collision force， and obtains the internal law between ship collision force and various influencing factors.

【Key words】Ship-bridge collision； Numerical simulation； Ship collision force

0 引言

船桥碰撞理论涉及诸多因素，比如船舶类型、航行速度、撞击角度、航道水深、流速以及潮汐变化、桥墩外形、墩基稳定性等。而船舶的撞击力主要跟船舶质量、船舶撞击速度、船舶撞击角度、船舶撞击位置、承台形状等因素有关，由于船舶的碰撞载荷是桥梁设计的重要控制数据之一，目前虽然有相当多的经验公式可以来估算一定吨位船舶对桥墩的撞击力，但是其参数简单，不能描述船首结构的细节。而利用非线性有限元软件，通过对碰撞过程的数值模拟，是目前获得船舶撞击力的最佳和最准确的方法。

FRP防撞浮箱是应用于重庆市嘉陵江黄花园大桥的桥墩防船撞装置。为研究影响桥梁船撞力的主要因素，本文特选取船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度三个因素，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对船舶与带FRP防撞浮箱的桥墩碰撞过程进行数值模拟，通过分析船舶在各种工况下的撞击力时间历程，来分析这三个因素对桥梁船撞力大小的影响，从而得到船撞力与各影响因素之间的内在规律[1]。

1 有限元模型

重庆交通科研设计院作出的《嘉陵江黄花园大桥船撞风险分析咨询报告》[2]中指出，嘉陵江黄花园大桥船撞风险主要来自于1号和2号桥墩，其中2号桥墩船撞风险较大。黄花园大桥船舶上下水航速均为正态分布，船舶逆流航速集中在1～5m/s之间，船舶顺流航速集中在5～8m/s之间。黄花园大桥船舶偏航角同样服从正态分布，船舶的偏航角集中在8°～22°之间。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行数值模拟计算，建立一艘2000t散货船、2号桥墩、FRP防撞浮箱的有限元模型，见图1。

2 桥梁船撞力主要影响因素分析

2.1 船舶撞击速度的影响

考虑船舶与FRP防撞浮箱正撞的情况，选用一艘2000t的散货船为计算对象，流体对船体的作用以附加质量来表示，纵向附连水质量取5%的船体质量，通过调整船舶的密度来实现。船舶的初始速度分别为3m/s、5m/s、8m/s，数值模拟结果见图2～4。

从数值模拟结果中可以看出，船舶撞击力的峰值随着船舶撞击速度的增加而增大，当速度分别为3m/s、5m/s、8m/s时，对应的峰值分别为10.1MN、16MN、27.5MN。速度的比值为1：1.67：2.67，对应的船舶最大撞击力的比值为1：1.58：2.72，两者比较接近，则可以近似地认为船舶撞击速度与船舶撞击力峰值之间具有线性关系。图5给出了船舶撞击力峰值与船舶撞击速度之间的关系，可以观察到撞击力峰值与船舶撞击速度基本呈现线性关系[3]。

根据数值模拟的计算结果，可以认为船撞力的峰值和船舶撞击速度之间呈现线性关系[3]。但在进行桥梁船撞设计时，选用的设计船撞力往往不是这个峰值，通常是在某个时域内的平均力[4]，而这个力和速度之间是否呈现线性关系，还需要进一步研究[3]。

2.2 船舶质量的影响

考虑船舶正撞FRP防撞浮箱的情况，按比例调整船体的所有材料的密度，使船舶的质量改变为1000t、2000t、3000t，附连水质量均取5%的船体质量来表示流体的影响，船舶的撞击速度取3m/s，其他参数均保持不变。数值模拟结果见图6～8。

在这里，欧洲规范公式规定了船舶的撞击力与船舶质量的平方根成正比，因此本次的数值模拟计算结果也验证了这一点。

2.3 船舶撞击角度的影响

船撞桥机理相对复杂，撞击位置或撞击角的轻微变化就可能导致撞击后果发生显著的变化。因此，目前国内外在计算船撞桥撞击力时，都考虑了撞击角度的影响。偏航角是指船舶轴线与航道方向之间的夹角，本文是指船舶在桥梁附近因偏航撞击桥梁下部结构时的偏航角度，而撞击角是指发生撞击时船舶轴线方向与结构物撞击面所成的角度。当桥梁下部结构几何形状和相对航道位置确定之后，撞击角大小取决于船舶偏航角度。因此，研究撞击角度的分布，本质上应研究偏航角度的分布。

本文研究的船舶撞击角度是指船舶航行的方向与桥墩的法线之间的夹角，依据重庆交通科研设计院所作出的《嘉陵江黄花园大桥船撞风险分析咨询报告》，正撞时，船舶的航行方向与桥墩的法线之间的夹角为0°。为方便研究，将FRP防撞浮箱模型旋转了8°角和22°角，则可认为船舶的航行方向就与桥墩法线分别成8°角和22°角，船舶质量取2000t，船舶撞击速度取3m/s，数值模拟计算结果见图10～12。

从上图可以看出，当船舶正撞、8°夹角、22°夹角撞击FRP防撞浮箱时，其对应的船舶最大撞击力分别为10.1MN、15MN、14.9MN。随着船舶撞击角度的增加，碰撞的持续时间在减小，但船舶撞击力的峰值并沒有呈现一定的规律。正撞的时候碰撞时间最长，22°时碰撞的持续时间最短。这是因为角度越大，船舶沿桥墩法线方向的速度分量就越小。当船舶斜向撞击FRP防撞浮箱时，沿桥墩法线方向的速度变为零或者变为反方向时，船舶就会与FRP防撞浮箱脱离，所以沿桥墩法线方向的速度越小，船舶脱离FRP防撞浮箱所用的时间就会越少，那么碰撞持续的时间也就越短。但由于碰撞问题的复杂性，涉及的方面比较多，单从以上的算例并不能得出一定的规律，还需要更多的算例，进行统计分析，继而进行更深一步的研究。现有的规范中对于船舶撞击角度对船撞力的影响的规定并不多，我国的铁路桥规[5]将船舶撞击角度的影响定义为取其夹角正弦值作为因子，计入船舶撞击力中。

3 结论

本文通过数值模拟分析来研究船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度这三个主要因素与桥梁船撞力的关系，通过一系列的数值模拟算例得到以下结论：

船舶撞击力的峰值与船舶撞击速度之间具有线性关系，但是如何选择设计船撞力及设计船撞力是否和船舶撞击速度成线性关系还需要进一步研究[3]；

船舶撞击力的峰值随着船舶质量的增加而增加，与船舶质量的平方根具有线性关系[3]；

船舶撞击力的峰值与船舶撞击角度的关系比较复杂，还需要作大量的算例，统计分析，作更深入的研究[3]；

【参考文献】

[1]宗莉娜，刘伟庆，方海，庄勇.船桥碰撞中各因素对船撞力影响的研究[J].江苏船舶，2016（6）：9-12.

[2]汪宏，耿波.嘉陵江黄花园大桥船撞风险分析咨询报告[R].重庆：重庆交通科研设计院，2008.45-50.

[3]颜海泉.影响桥梁船撞力的主要因素的数值模拟研究[A].王福敏，王君杰.桥梁船撞研究与工程应用-2011年全国桥梁船撞学术研讨会论文集[C].重庆：人民交通出版社，2011.327-334.

[4]AASHTO. Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges. American Association of State Highway and Transportation Official ，Washington D.C，1991.

[5]王胜斌，朱宇.内河桥梁船撞力计算方法比较分析[J].工程与建设，2009，23（1）：9-11.