浅谈复合材料防撞设施后的船撞撞击力

黄骏

摘 要：主要探讨通扬运河特大桥桥墩船撞力，采取格构腹板增强泡沫夹芯自浮式复合材料防撞箱设施形式。并对设置防撞设施后的引桥11#桥墩进行建模，模拟了一艘1000t级船舶以4.1m/s的速度撞击桥墩的过程。通过复合材料防撞设施后桥墩的有限元模拟图计算撞击力。

关键词：复合材料;船舶;撞击力;计算

中图分类号：U654          文獻标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0090-03

1工程概况

无锡至南通过江通道公路北接线工程，长22.333km。采用双向四车道高速公路标准。设通扬运河特大桥全长1209m，造价约为8000万元，其中主跨为60+100+50m变截面预应力混凝土连续梁结构，挂篮悬臂浇筑施工。通扬运河为规划三级航道，设计宽度为70m，通航净空高度为7m。下部结构薄壁墩墩高56m，采用维萨板爬模施工工艺，上部结构采用5*50m预制装配式T梁、45+75+75+45m预应力混凝土连续刚构、4*43.5+2*43.5+50钢-混组合连续梁及高墩、大跨径现浇预应力连续箱梁（最高墩高28m、最大跨径50m）结构。桥梁施工工艺复杂、质量、安全风险高，施工难度大。

2复合材料防撞设施设计方案

通航孔桥墩为等截面桥墩结构，在通航孔桥墩防撞保护系统中，船舶若正对桥墩撞击，橡胶护舷首先与桥墩的棱边相接触发生弹性变形，吸收碰撞能量;本方案可随着水位的变化自动升降，提出采纳自浮式箱型复合材料防撞系统。另外当船舶与防撞系统撞击紧密接触后，防撞系统箱型截面本身也能承受较大的撞击力，箱型截面外壳为弹性复合材料，其内部填充的耗能材料抗剪强度高，缓冲能力强。其中箱型复合材料防撞圈的内侧面设置拱形橡胶护舷，橡胶护舷的高是0.3m，橡胶护舷内侧与桥墩接触处采用60mm厚的四氟滑板，所以箱型复合材料防撞设施的外伸宽度≧1.3m。复合材料防撞结构直接承受船撞的纤维复合材料单位宽度（m）的抗弯刚度必须达到300000N.m2，平压强度必须达到10MPa及以上。外壳材料的弹性模量需约为钢材的1/10，保护钢结构船舶不受局部损伤。复合材料防撞箱内填充的轻质耗能芯材需采用复合材料加劲腹板增强，具有一定的抗剪强度，达到1MPa以上。由于复合材料防撞系统具有自浮性、可转动性、缓冲性、弹性模量低等特点，因此可有效保护船舶不至于局部受损。

防撞系统与桥墩的侧边接触实现上下浮动，且防撞圈的两端为尖形，在与船舶成角度撞击后，防撞系统可转动一定的角度，从而拨离船舶行驶方向。

边墩防撞设计的立面布置图和平面布置图参见图1。

3钢管桩与复合材料防撞设施防撞方案

采用“两级消能”防护：第一级防护在墩柱两侧离承台边约3m的位置插打三根钢管桩形成钢管桩组，拦截正面向墩柱行驶的船只，船只撞上后减小船只的行进速度，钢管桩组容许被船只撞坏;第二级防护为墩柱上安装的箱型复合材料防撞系统，拦截经上一级防护后未能拦住的船只。防撞设施的立面布置见图2。

11#～14#墩的上下游距承台边3米处各设置三根Φ810mm一组钢管柱，主要起到对通行船只的防撞及引导作用。10#墩现浇段上游有栈桥围护，下游则再设置两排间距4米Φ630mm钢管桩，各钢管桩间相互连接而成。

4 ANSYS/Ls-Dyna动力计算

4.1结构建模

对设置防撞设施后的引桥11#桥墩进行建模，模拟了一艘1000t级船舶以4.1m/s的速度撞击桥墩的过程，图3（a）为1000t级船舶撞击设置H200型复合材料防撞设施后桥墩的有限元模拟图;图3（b）为1000t级船舶撞击设置钢管桩及H200型复合材料防撞设施后桥墩的有限元模拟图。钢管桩计算长度取为11.04m，桩底固结。

4.2设置防撞设施后11#引桥桥墩的船撞力有限元模拟

4.2.1设置H200型复合材料防撞设施后船撞桥有限元模拟

以设H200型复合材料防撞设施后，最高通航水位下1000t船与11#引桥以4.1m/s速度满载正撞工况为例进行带防撞装置的船桥碰撞计算。设防撞设施时，船撞有限元模型如图4所示，桥墩受到的船撞力如图5所示，撞击过程中的能量变化如图6所示。

从图5中可以看出，设置H200型防撞设施后，桥墩受到的横桥向撞击力为7.22MN。与无防撞设施相比，桥墩受到的撞击力下降34.7%。

4.2.2设置钢管桩及H200型复合材料防撞设施后船撞桥有限元模拟

以设钢管桩及H200型复合材料防撞设施后，最高通航水位下1000t船与11#引桥以4.1m/s速度满载正撞工况为例进行带防撞装置的船桥碰撞计算。设防撞设施时，船撞有限元模型如图7所示，桥墩受到的船撞力如图8所示，撞击过程中的能量变化如图9所示。

从图8中可以看出，设置钢管桩及H200型复合材料防撞设施后，桥墩受到的横桥向撞击力为6.03MN。与无防撞设施相比，桥墩受到的撞击力下降45.4%。

4.3设复合材料防撞设施后的船撞有限元分析结果汇总

综上，典型工况下，设置防撞设施后的有限元计算结果汇总于下，无防撞设施情况下船舶撞击力11.05KN;H200型复合材料防撞设施情况下船舶撞击力7.22KN，撞击力消减34.7%;钢管桩+H200型复合材料防撞设施情况下船舶撞击力6.03KN，撞击力消减45.4%。

参考文献：

[1]顾敏童.船舶设计原理[M].上海：上海交通大学出版社，2001.

[2]王言英.船舶试验数据的回归分析[J].大连理工大学学报，1980，19（1）101-114.

[3]宋世全.应用Matlab进行船舶电力推进系统仿真[J].实验室研究与探索，2008，27（12）.