水平冲击下防撞装置的试验及有限元研究

宗莉娜，方 海，周 辉

(1.江苏城市职业学院 建筑工程学院，江苏 南京210036；2.南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京211816)

0 引言

船舶撞击事故屡见不鲜，尤其对于大型的船舶和桥墩而言，在发生碰撞后会使船舶沉没和桥墩受损，造成严重的经济损失和社会安全问题[1-2]。因此，从20世纪60年代末起，相关人员就开始对船桥相撞问题开展了研究，但由于桥梁防撞涉及到多种学科，情况复杂、研究难度大。我国研究学者从20世纪90年代开始对桥梁防撞展开研究[3-5]。目前，主要通过对桥梁设置防撞措施(如钢套箱、人工岛、防护板系统浮动保护系统等)来避免或减低船舶撞击后产生的撞击力。此方法可以有效保护桥墩和船舶的安全。

近年来，大型桥梁的桥墩使用一种新型的复合材料装置[6-9]。这种新型的防撞装置的特点是其外壁与内置格构均由玻璃钢复合材料加入聚酯纤维构成，内部填充一定数量的聚氨酯泡沫。在船舶撞击时，主要通过内部填充的聚氨酯泡沫压缩变形耗能，达到减小船舶撞击力的效果。本文拟采用试验及有限元方法对格构增强复合材料桥梁防撞装置的水平抗冲击性能进行研究。

1 复合材料防撞装置试验方法

1.1 构件设计

本次水平冲击试验中桥墩截面尺寸0.3 m×0.5 m，高1.5 m，混凝土等级C40，纵筋为10根Φ10 mm，箍筋为Φ6 mm，箍筋间距及加密区范围见图1。试验时采用刚性小车模拟船舶。小车质量为1.5 t，每次以4.1 m/s的速度进行水平冲击。

图1 桥墩模型尺寸图(单位：mm)

构件制作流程如下：

(1)将聚氨酯泡沫发泡成型。

(2)根据构件横向格构间距的设置将聚氨酯泡沫截断。

(3)将纤维布裹在泡沫表面，并整体放置于模具中。

(4)对其表面附加一层纤维布并真空导入成型，成型后的构件为半筒形。

(5)用强力胶将2个成型构件粘结在一起，形成一个完整试件。

试件制作时复合材料防撞装置筒壁、纵向格构、横向格构均为复合材料纤维铺层。

三维模型图中船舶撞击位置见图2(a)。图中：沿着防撞装置轴线方向的格构为纵向格构，与轴线垂直方向的格构为横向格构。构件外壳面层和横向格构厚度为1.3 mm，纵向格构厚度为2.6 mm。构件的具体尺寸参数见图2(b)。为了增加参数变化，多角度考虑耗能影响因素，试验构件制作了2种格构间距，分别为90、270 mm，用AC-90和AC-270表示，便于研究格构间距对防撞装置吸能大小的影响。

图2 桥梁防撞装置模型及外形尺寸(单位：mm)

根据调查资料及数据分析显示：由于惯性影响，当船桥碰撞时船舶会与桥墩发生多次撞击。为了更真实模拟实际情况，本次试验增加了对构件的2次撞击。AC-270-1、AC-270-2分别表示对构件的第1、第2次冲击。

1.2 试验方法

桥墩顶部用千斤顶提供竖向荷载，以模拟桥梁上部结构对桥墩的竖向荷载作用；精确提升落锤高度，以确保小车冲击速度。小车在获得冲击速度后沿着轨道滑行撞击桥墩及防撞装置。

2 复合材料防撞装置试验过程

各试件在经历第1次冲击后，均显示出较轻微受损，防撞装置变形量均相对不大。第2次撞击后，防撞装置破坏严重。其中：防撞装置AC-90的破坏表现除纵向格构与筒壁处撕裂外，另有大范围的纵向格构本身撕裂分层；AC-270则表现出了纵向格构与筒壁处撕裂及小范围的纵向格构撕裂分层，纵向格构粘结处未出现整体开裂。由此可见：横向格构在防撞装置受冲击时，与纵向格构形成垂直支撑；当横向格构间距过密时，纵向格构在冲击时受压变形受阻，出现了撕裂分层现象。

3 复合材料防撞装置试验分析

3.1 时程曲线

试验中各试件水平撞击力时程曲线及撞击点处的位移时程曲线见图3～图5。图5中“N-AC”表示试件无防撞装置。

图3 AC-270水平撞击力和撞击点位移时程曲线

图4 AC-90水平撞击力和撞击点位移时程曲线

图5 N-AC水平撞击力和撞击点位移时程曲线

3.2 水平撞击力峰值

试验中各试件水平撞击力峰值见表1。无防撞装置时，撞击力峰值为364.15 kN。首次冲击时， AC-270和AC-90撞击力峰值分别为247.54、310.14 kN，比无防撞装置时分别降低了32.0%和14.8%。第2次冲击时，AC-270和AC-90撞击力峰值分别为194.85、235.93 kN，较无防撞装置时分别降低46.5%和35.2%，较首次冲击时分别降低21.3%和23.9%。因此，在设置防撞装置后，能有效地降低船舶撞击时所产生的撞击力峰值。

复合材料防撞装置在第1次冲击时表现出一定的刚性，防撞装置的变形较小，只是局部破损，并未发生整体破坏。发生第2次碰撞后，防撞装置被压溃，通过自身的变形吸收耗散了大部分能量，进一步降低了撞击力峰值。可见，此种复合材料防撞装置对降低船舶撞击力峰值有明显的效果，达到保护桥墩和船舶的作用。

表1 水平撞击力峰值

3.3 桥墩位移分析

试验中桥墩冲击点处的位移见表2。无防撞装置时，桥墩冲击点处位移为10.1 mm。在第1次冲击时， AC-270和AC-90桥墩冲击点处位移分别为8.6、9.4 mm，比无防撞装置时降低了14.9%和6.9%。第2次冲击时，AC-270和AC-90桥墩冲击点处位移分别为5.6、6.8 mm，较无防撞装置时降低44.6%和32.7%。所以，设置防撞装置能有效地降低船舶撞击时所产生的位移。

表2 桥墩冲击点处位移

试验中对混凝土动力响应进行监测，发现混凝土桥墩模型在整体试验过程中未出现明显裂缝，可认为混凝土桥墩处于弹性工作范围。

4 复合材料防撞装置有限元分析

本文采用有限元软件LS-DYNA模拟船舶水平冲击桥墩的过程，分析复合材料防撞装置在受到水平冲击后泡沫、格构及外壳的力学响应。

4.1 有限元仿真模型建立

目前桥墩多为钢筋混凝土结构，受力后的性能复杂[10]。数值模拟时，准确定义混凝土模型非常重要。现阶段常用的混凝土模型有：以弹性力学为基础的模型，以塑性力学为基础的模型、塑性断裂模型、损伤力学模型等。不同的混凝土模型表现出不同的特点，应用范围也不同。本文选用MAT_PLASTIC_KINEMATIC[11]模型来模拟混凝土材料。混凝土单元采用SOLID164。复合材料采用线弹性材料模型，其单元采用薄壳单元SHELL163。FRP筒壁和格构因采用壳单元，并未增加实体，通过定义壳单元的厚度来模拟格构厚度和壁厚。防撞装置在迎撞面将每个线单元长度划分为10 mm，除了迎撞面外线单元划分长度为10 mm。有限元模型见图6。

图6 几何建模及划分

用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型来模拟聚氨酯泡沫，参照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》标准对聚氨酯泡沫进行材料试验，得出抗压强度、应力应变失效值、弹性模量及变异系数。通过*DEFINE_CURVE给模型定义应力应变曲线，并添加“MAT_ADD_EROSION”来定义聚氨酯泡沫的失效。聚氨酯泡沫也采用SOLID164单元。泡沫和复合材料层接触为面面自动接触(ASTS)，静摩擦系数和动摩擦系数均取0.1。为了实现第2次撞击是在第1次撞击产生变形后进行的，在第1次计算时生成能够进行重启动计算的文件d3dump01；在第2次加载时，同时提交第2次K文件及第1次计算生成的d3dump01。

4.2 有限元仿真数值分析

建立有限元模型进行数值模拟，得出AC-270及AC-90有限元模拟水平冲击撞击力时程曲线，并将其与试验曲线进行对比，具体见图7、图8。

图7 AC-270水平冲击有限元和试验荷载时程曲线对比

图8 AC-90水平冲击有限元和试验荷载时程曲线对比

从图中可以看出，2组试件的有限元撞击力时程曲线与试验曲线趋势基本相似，撞击力的峰值比较接近，两者误差控制在15%以内，吻合度较好，具体的撞击力峰值数值对比见表3。防撞装置的应力云图见图9。从图中可见，防撞装置被撞击区域应力集中，变形也较大。

表3 水平冲击撞击力峰值试验值与有限元值

图9 防撞装置的应力云图

图10为有限元模拟时试件破坏形态与试验时试件破坏形式。从形态上破坏形式基本一致，均表现为外层复合材料纤维断裂破坏，内部聚氨酯泡沫达到屈服强度被压溃。

图10 有限元模拟与试验试件破坏情况对比

5 结论

本文对格构增强复合材料防撞装置进行了水平冲击试验及有限元分析，得出以下结论：

(1)格构增强复合材料防撞装置能有效减弱冲击过程中的撞击力峰值。格构间距为270、90 mm时，水平冲击的撞击力峰值比无防撞装置时分别降低32.0%和14.8%；第2次冲击时较无防撞装置时分别降低46.5%和35.2%。 (2)格构增强复合材料防撞装置能减小冲击过程中桥墩位移。格构间距为270、90 mm时，第1次冲击时最大位移较无防撞装置分别降低了14.5%和6.9%；第2次冲击时较无防撞装置时分别降低了44.6%和32.7%。

(3)有限元模拟中防撞装置格构及筒壁接触的泡沫首先被破坏。随着变形量加大，格构发生屈曲继而弯折，泡沫达到屈服强度后破坏，试件整体失去承载能力。泡沫在冲击过程中起到约束纵横向格构屈曲变形的作用，并随着格构变形而变形。

(4)有限元模拟时的破坏形态与试验中的破坏形态基本一致，并且撞击力时程曲线趋势也基本一致，撞击力峰值的误差也较小。