渔船与桥墩碰撞的影响因素分析

2019-09-13宋博文毕跃文张兆德

船舶与海洋工程 2019年4期

宋博文，毕跃文，张兆德

（1. 浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022； 2. 荣成造船工业有限公司，山东威海 264309）

0 引言

随着社会经济和航运事业的迅速发展，船舶和跨海大桥的数量与日俱增，船舶碰撞事故时有发生，其中船桥碰撞事故占有很大的比例[1]。在已有的船桥碰撞理论研究中：刘建成等[2]研究整船与整桥在碰撞过程中的结构损伤和吸能情况；胡志强等[3]对船桥碰撞过程中的非线性碰撞力进行研究；李磊等[4]对船舶吨位和速度对船桥碰撞损伤的影响进行研究；张兆德等[5]研究船首内部结构变化对碰撞损伤的影响；潘晋[6]对船桥碰撞机理和桥墩的防撞装置进行研究。在已有的船桥碰撞事故研究中，研究方向主要针对船桥碰撞中船和桥墩的损伤情况、船舶在碰撞中的耐撞性和桥墩防撞装置的耐撞性等。张磊等[7]指出，目前采用有限元技术对事故进行分析处理的相关研究较少。因此，利用有限元技术对船桥碰撞可能出现的情况进行多方面的模拟，得出可能的碰撞结果，建立专家数据库，对于船桥碰撞事故分析而言具有重要的意义。

本文主要以42m渔船和圆柱形桥墩为例，通过计算渔船以不同的航速和不同的偏心距离对桥墩进行碰撞的情况，对速度-撞深、不同偏心距离-撞深和撞击船的结构变形进行分析，从而为规定航运繁忙区域的船舶航速和解决海事纠纷提供参考。

1 有限元模型

1.1 撞击船模型

选取42m的拖网渔船作为撞击船，选取2kn、3kn、4kn、5kn和6kn的航速，以及6kn航速下0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的偏心距离作为研究工况。由于艏舱壁之后的船体结构距离碰撞区域较远，不会产生变形，只提供质量，因此网格可放大，只需细化船首部分网格，同时合理选取网格的长度，即可保证计算的精度和时间[8]。船舶质量分布在各单元上，且为方便计算，不考虑流固耦合，采用附连水质量法[9]。碰撞开始之前，船舶与桥墩之间的距离为0.05m。

1.2 桥墩模型

被撞桥墩由钢筋混凝土结构组成，用半径为2m的圆柱体模拟真实的桥墩。由于桥墩的刚性较大，在撞击过程中变形较小，可忽略被撞部分结构对其上下结构的影响。由于预应力混凝土管桩和钢筋混凝土沉井的基础刚性较好，在建模时将桥墩底部处理为刚性固定结构。考虑到桥墩与桥梁上部结构的连接问题，对上部结构进行铰接处理, 与实际情况较为符合[10]。同时，桥墩的单元网格长度要大于船首的单元网格长度，以符合碰撞模拟过程中的主从接触关系。撞击位置大约在桥墩中间位置。渔船与桥墩碰撞的整体有限元模型见图1，在偏移条件下的有限元模型见图2。

图1 渔船与桥墩碰撞的整体有限元模型

图2 渔船与桥墩碰撞在偏心条件下的有限元模型

1.3 材料参数

由于碰撞的损伤特性，将艏部船体结构视为弹塑性材料结构，将艏舱壁之后的船体结构视为刚性材料结构。弹塑性材料密度；弹性模量屈服强度；泊松比刚性材料密度弹性模量泊松比根据最新的试验与研究结果，当模型中的单元网格长度均大于50mm时，材料的最大失效应变为34%。利用 Cow-per-Symonds[11]本构方程表达材料模型，对于普碳钢而言，取常数C=40.4，q=5。采用以经典塑性理论为基础的弹塑性混凝土硬化断裂本构模型，能反映混凝土受拉脆性破坏和受压延性破坏、体积膨胀等主要性能[12]。材料密度体积模量剪切模量；屈服强度σ= 30 GPa。为简化模型和减少计算量，不考虑钢筋对混凝土结构的影响。

2 不同航速下正撞场景的船舶碰撞分析

主要分析该渔船在2kn、3kn、4kn、5kn和6kn航速下与桥墩正撞的全过程，以能量损失99%作为碰撞结束条件。桥墩的整体运动均有一定的滞后特性，随着碰撞过程的推进，撞击船的航速减小，桥墩的整体移动速度增大，当撞击船的航速与桥墩的移动速度接近时，碰撞力会逐渐减小。直到撞击船的航速与桥墩的速度相同时，碰撞力降低为零且结构不再发生变化。

2.1 碰撞力分析

图3为碰撞力-时间曲线。由图3可知：当渔船与桥墩发生碰撞时，有多种结构参与碰撞，且曲线起伏次数越多，参与碰撞的船首结构越多；船舶碰撞显示出了很强的非线性特性，且随着渔船航速的增大，碰撞力的最大值增大；当航速增大时，碰撞的总时长随之变长。这说明在渔船与桥墩碰撞过程中，碰撞力与船舶航速正相关，且航速越大，碰撞的非线性特征越明显。

2.2 碰撞能量分析

渔船与桥墩碰撞过程中的能量变化主要有动能变化、碰撞产生的变形能与摩擦能变化，以及在计算过程中的沙漏能变化。图4～图6为渔船在2～6kn航速下的碰撞能量变化，分别为动能变化、变形能变化和沙漏能变化。由于桥墩的刚性较大，碰撞过程中的变形能主要被船首吸收。

图3 碰撞力-时间曲线

图4 动能时程曲线

图5 变形能时程曲线

图6 沙漏能时程曲线

由图4～图6可知，渔船的动能和碰撞过程中产生的变形能、沙漏能均随航速的增大而增大。通过与碰撞力曲线相对比可知，当碰撞力减小至0时，碰撞过程中的能量转化随之停止。同时，通过与不同航速下的能量变化曲线相对比可知：当航速逐渐增大时，船首吸收的变形能在总能量中的占比逐渐减小；航速越大，摩擦产生的能量和沙漏能在总能量中的占比越大。

图7 不同速度撞击时的最大变形量

2.3 不同碰撞速度下船首的损伤变形

分别计算 2～6kn航速下的碰撞结果，得出不同碰撞速度下的船首最大变形量见图7。从图 7中看出，随着航速的增大，船首的变形越来越明显。这说明渔船的动能与航速的变化和碰撞的损伤变形成正比。由此可得出结论：当航速增大时，渔船的动能增大，碰撞造成的损伤变形更严重；当航速小于 4kn时，船首的损伤较小，说明碰撞发生时渔船的航速小于4kn是相对安全的。

3 不同偏心距离下的碰撞分析

3.1 不同偏心距离下的碰撞力计算

取6kn航速，分别计算渔船中纵剖线对桥墩中线偏移0m、0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的碰撞过程，得到不同偏移情况下船、桥的碰撞力-时间曲线见图8。

由图8可知：当渔船碰撞发生偏移时，渔船与桥墩开始接触的时间随之推迟，且随着偏心距离的增大，渔船与桥墩碰撞时的接触面积增大，参与能量吸收的构件增多；随着偏移距离的增大，舷墙型材更快参与到船舶与桥墩的碰撞中来；当渔船的位置发生偏移时，渔船碰撞的非线性特征更明显。

3.2 不同偏心距离下的能量变化

图9～图11为渔船在不同偏心距离下与桥墩碰撞的能量变化，分别为动能、变形能和沙漏能。由图9～图 11可知：当航速相同时，渔船的初始动能相同；当船首正面率先与桥墩接触时，渔船的动能完全损失的时间十分接近，都在0.7s结束；当船首侧面率先与桥墩发生碰撞时，动能完全损失的时间在1.1s。当船首正面率先与桥墩接触、偏心距离小于1.0m时，碰撞吸收的变形能略有增大，而沙漏能略有减小；当偏心距离大于1.0m时，船首碰撞吸收的变形能开始变小而沙漏能开始增大；当偏心距离大于2.0m时，沙漏能有一个明显增大的过程，说明当船首侧面率先与桥墩碰撞时，由于接触的单元较多，参与碰撞的构件较多，沙漏能较大。因此，渔船与桥墩碰撞的能量变化不仅与航速有关，而且与碰撞的偏心距离有关。

图8 不同偏心距离下的碰撞力-时间曲线

图9 不同偏心距离下的动能时程曲线

图10 不同偏移心距离下的变形能时程曲线

图 11 不同偏心距离下的沙漏能时程曲线

3.3 不同偏心距离下的船首变形损伤

取6kn航速，对比渔船中纵剖线对桥墩中线偏移0m、0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的碰撞损伤变形，得出偏心距离与碰撞最大位移的柱状图和船首变形损伤云图。

图12为船首与桥墩在不同偏心距离下的碰撞最大位移。从图12中可看出，船首碰撞损伤位移随着偏心距离的增大呈现出先增大后减小最后又增大的趋势，且总体碰撞损伤呈增大的趋势，这与上一节中能量的变化近似。船首碰撞损伤呈非线性变化。这说明当撞击位置不同时，碰撞对船首结构损伤的变化有明显的影响，且船首正面的结构强度要比船首侧面的结构强度大，船首侧面的结构更易在碰撞过程中因发生屈服而变形。