浮码头系缆墩船撞事故有限元反演分析

王华坤，林寅森，张 攀，翟 秋，张稼昊，陈灿明

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.华设设计集团股份有限公司，南京 210014；3.南京水利科学研究院，南京 210029)

近年来，随着航运事业的发展及港口吞吐量的提升，船舶靠泊频率显著增加，来往船只的密集度与复杂多变的通航条件导致国内外船舶撞击码头事故频发[1]。船撞事故发生后，客观地还原事故过程、科学地评估结构损伤程度是急需开展的重点工作。

目前，针对船舶碰撞事故的调查主要通过询问船员取证、搜集航运资料、提取船载记录仪数据等手段，但这些传统的调查方法存在一些缺点，如船员的主观片面性、船载记录仪数据缺失等，使得事故认定存在困难。另一方面，现场勘查可以掌握码头破坏的基本情况，但对结构损伤细节难以进行全面检测评估。

船舶撞击作用下码头的动力响应非常复杂，其中涉及几何非线性、材料非线性和接触非线性问题。随着计算机技术的快速发展，有限元法已经成为船舶碰撞问题的有力分析手段[2]。王翔等[3]模拟了船舶与浮码头之间的碰撞，认为靠泊船的低速冲击荷载会对浅水域浮式码头结构产生明显动力响应效果。赵冲久[4]采用物理模型和有限元模型研究了船舶撞击力在高桩码头排架中的分配情况。邓雷飞等[5]对船舶以较快速度撞上码头的过程进行了模拟，根据码头受损部位的应力指标与位移变化提出了对事故码头高应力区域的修复与加固方案。邱拓荒等[6]建立了船舶碰撞高桩码头横向排架的简化模型，研究了船舶载重量、撞击角度和橡胶护舷等因素对船撞力的影响。陆志慧等[7]对船舶碰撞钢管板桩码头问题进行了仿真分析，从结构应力和位移变形方面评估了码头的防撞能力。刘红彪等[8]忽略了材料非线性，通过理论与有限元相结合的方式研究了船舶撞击作用下的高桩码头结构动力响应，修正了软土地基上高桩码头受船舶撞击时的动力系数。阎佳安等[9]对拱式纵梁码头受到船舶撞击后的动力响应进行了分析，提出了应力集中部位的加固方案。徐競等[10]将船舶撞击力简化为集中力，混凝土结构采用线弹性材料，对一艘6万t级轮船碰撞系缆墩事故进行了模拟，得到的桩身内力为基桩完整性评判提供了参考依据。

可见，目前大多数研究着重于船舶撞击后码头的受力情况和结构修复工作，很少有学者将有限元技术运用到船舶撞击码头事故的调查分析。有限元模型的精细化程度、材料本构和接触算法直接决定了模拟结果的可靠性[11]。然而，现有研究中船艏结构的过度简化往往会造成撞击力的失真，而采用的钢筋混凝土材料本构也不能模拟出结构的破坏状态，因此得到的结果无法准确反映真实情况。本文以南京某浮码头系缆墩船舶碰撞事故为例，采用有限元方法对事故进行精细化数值反演，从而为后续工作的开展提供依据。

1 船舶-系缆墩碰撞事故

1.1 事故概况

某浮码头位于长江下游南京段，码头泊位长度131.0 m，由1座钢质浮趸船、2榀钢联桥及2座系缆墩组成，钢趸船通过钢引桥与岸连接。系缆墩为高桩墩式结构，墩台为空箱式，长6.0 m、宽6.0 m、高5.0 m，顶板厚1.2 m，底板厚1.0 m；系缆墩基桩采用预应力钢筋混凝土空心方桩，截面尺寸600 mm×600 mm，空心直径300 mm、桩长40.0 m，江侧和岸侧各布设3根，斜度均为5∶1。码头平面布置图及系缆墩桩位分布情况见图1和图2。

图1 码头平面布置图(单位：m) 图2 系缆墩桩位分布图(单位：mm)

本次事故中，某船务公司1 000 t级船舶重载停靠该浮码头时，因右主机突然熄火，舵机失灵，导致右舷碰擦该码头上游系缆墩的1#钢筋混凝土桩。

1.2 现场勘查

事故发生后，专业机构对码头上游系缆墩进行现场检测，并对轮船体破损情况进行调查，结果如下：

船舶与系缆墩钢筋混凝土桩碰擦，船艏右侧部位有上、中、下三处擦痕，船体表面油漆脱落，但无明显破损和变形。

上游系缆墩墩台完好，未发现明显破损；除1#桩有明显破损外，其余2#～6#桩未发现桩身有裂缝及混凝土剥落情况；1#桩顶部与墩台连接处出现开裂，桩顶四个方向均出现不同程度的裂缝，撞击点处上游侧和江侧裂缝较严重，最大裂缝宽度约2 mm。

1#桩距离桩顶1.56～3.06 m处，船舶撞击桩体区域各方向出现不同程度的破损，局部严重破损、断裂，具体为：上部距桩顶1.56～1.86 m范围桩体有轻微擦痕，桩体基本无破损；下部距桩顶2.06～3.06 m范围受船舶撞击普遍破损，局部严重破损，破损处最大宽度为：江侧0.31 m、下游侧0.40 m，破损处有1根主筋、1根箍筋外露，主筋外露长度约为0.30 m，箍筋外露长度约0.10 m。

撞击部位处江侧有5条明显的水平向裂缝，其中2条最严重，最大裂缝宽度3～5 mm，裂缝长0.10～0.30 m；下游侧有2条主要裂缝，裂缝长度约0.20 m，最大裂缝宽度为0.5 mm；上游侧分布有4条主要裂缝，最大裂缝长度0.60 m，最大裂缝宽度为4～6 mm；岸侧分布有3条主要裂缝，裂缝长度0.60 m，最大裂缝宽度为3～5 mm。距离桩顶3.0 m处有一条斜向裂缝，裂缝与水平向夹角为40°～45°，最大裂缝宽度约1.2 mm；距离桩顶2.2 m处有一条斜向裂缝，裂缝与水平向夹角为45°～60°，最大裂缝宽度约0.6 mm。

2 船舶-系缆墩碰撞有限元模型

基于LS-DYNA显式动力有限元程序建立船舶碰撞系缆墩的精细化数值模型。

2.1 船舶模型

事故船舶长55.4 m、宽9.5 m、型深3.3 m，满载排水量1 276.75 t，实际载货量998 t。船体材料为CCSB级钢。在撞击作用下船体钢材会产生快速变形，屈服强度明显提高，该效应可用Cowper-Symonds应变率模型来描述。本文选取考虑应变率硬化效应的随动塑性本构，材料屈服应力表达式为

(1)

船舶模型根据实船构造建模并采用壳单元和梁单元进行网格划分。为了提高计算效率，适当忽略上层建筑及船舶上机电等设备。由于船艏是抵抗变形和吸收能量的重要结构，对船艏进行精细化建模并加密网格。船舶中部和艉部距离碰撞位置较远，仅在质量方面产生影响，可适当增大网格尺寸。

2.2 系缆墩模型

系缆墩墩台及桩身混凝土材料为C50，采用SOLID单元模拟。为了更真实地反映船舶碰撞系缆墩过程中1#桩混凝土的损伤情况，混凝土本构采用连续面盖帽模型。该模型可较好地反映混凝土在低围压和拉伸应力状态下的应变软化、刚度退化、体胀、剪缩和应变率强化等重要特性，在模拟混凝土材料受到低速冲击产生的动态损伤方面效果较好。系缆墩的材料参数为：密度2 400 kg/m3，无侧限抗压强度40 MPa，最大骨料粒径0.02 m，泊松比0.2。

系缆墩桩基中的钢筋型号为HRB400，采用BEAM单元模拟，本构模型与船舶相同。钢筋弹性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服应力400 MPa，切线模量1 200 MPa。为了反映钢筋与混凝土共同工作的性能，采用*CONSTRAINED_LAGRANGEIN_IN_SOLID关键字来约束两者之间的耦合效应。

根据系缆墩所在地质情况，采用假想嵌固点法计算得到模型桩长为19.25 m。

2.3 碰撞接触算法

船墩碰撞模型如图3所示。采用面-面侵蚀接触(Contact_Eroding_Surface_To_Surface)算法，静、动摩擦系数均取0.3。船舶碰撞过程中周围流体作用影响不大，附连水质量系数根据已有研究取0.02。计算总时长设定为2.8 s，时间步长由程序自动确定。

图3 船舶-系缆墩碰撞模型

3 碰撞事故反演工况

根据已了解到的现场情况，船舶是由下游向上游行驶，在靠泊时右舷擦碰到上游系缆墩。船舶斜向靠泊角度可通过现场勘测结果初步判定：事故发生时，船舶未与钢趸船碰撞接触，斜向靠泊角度应不小于25°；根据事故现场1#桩身与船艏碰擦部位勘查结果，可大致确定碰撞期间事故船舶纵轴线与码头岸线间的夹角不超过45°。因此船舶斜向靠泊时船舶纵轴线与码头岸线方向夹角α应在25°～45°，本文在反演计算时重点考虑30°、37°和45°的靠泊角度。

根据《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010)关于法向靠泊速度的规定，船舶正常靠泊速度区间为0.2～0.3 m/s，本文取0.1～0.4 m/s作为法向靠泊速度计算范围。考虑到内河波浪较小，由波浪作用产生的船舶垂荡速度相比水平行驶速度或水流速度很小，因此本文的船舶撞击问题限于船舶行驶的水平面内。

不同靠泊角度和靠泊速度的组合计算工况如表1所示。其中，Vx为法向靠泊速度，Vy为切向靠泊速度，θ为靠泊角度。

表1 反演计算工况组合表

4 反演结果与分析

4.1 系缆墩和基桩损伤

将数值模拟得到的结构破损情况与现场勘查结果对比分析，可以发现当碰撞角度为37°和45°时，各工况桩身被撞击部位均位于桩身江侧，并且桩身岸侧混凝土剥落较为严重，这与实际有明显偏差；相比而言，30°靠泊角度下船舶撞击点与实际位置相同，其中工况5(Vx=0.15 m/s，Vy=0.20 m/s)得到的结构破损情况与现场勘查结果最为吻合，详细说明如下。

上游系缆墩1#桩桩顶与墩台连接处数值模拟结果见图4-a～4-c，可以看出连接部位四个方向均出现裂缝，其中位于撞击点处的下游侧和江侧较为明显，这与现场勘查结果(图4-d～4-f)几乎一致。

4-a 计算结果上游侧 4-b 计算结果江侧 4-c 计算结果下游侧及岸侧

1#桩桩身碰擦部位桩周四个方向的损伤数值模拟结果如图5-a～5-d所示，现场勘查结果见图5-e～5-h。计算结果显示江侧桩身撞击部位出现较为连续的破损现象，并有一段长达0.69 m连续主筋外露，主筋外露长度虽比现场勘查的外露长度(0.30 m)偏长，但与现场主筋外露长度和其上部脱落混凝土区域长度总和基本一致；计算得到的岸侧桩身裂缝长度为0.60 m，上游侧桩身裂缝长度为0.60 m，两条主裂缝间距0.10 m，与现场裂缝开展情况完全吻合；下游侧撞击部位裂缝计算长度为0.39 m，比现场勘测结果略大。从有限元结果总体上来看，被撞的1#桩桩身结构基本完整，未发生断裂(表2)。

表2 1#桩受撞部位结构破损情况对比

5-a 计算结果江侧 5-b 计算结果下游侧 5-c 计算结果上游侧 5-d 计算结果岸侧

4.2 基桩主筋应力分析

为全面了解系缆墩结构内部损伤情况，对此次碰撞事故中1#桩内4根主筋(即纵筋)应力响应进行分析，纵筋分布见图6。提取1#桩桩顶与承台连接部位、受撞部位4根纵筋的应力时程数据，如图7和图8所示。结果显示，离撞击点最近的纵筋1出现的应力值最大，桩顶及桩身撞击部位处的4根纵筋在撞击过程中均表现出屈服状态，因此桩顶与承台连接部位、桩身受撞部位需要进行加固修复。由于船舶与1#桩擦碰后在桩内产生应力波的传播、反射与振荡，桩身吸收的这部分撞击能量并不会立即消散，因此1#桩主筋应力在峰值过后一段时间内仍然维持在较高水平。

图6 1#桩纵筋分布图 图7 1#桩桩顶与承台连接部位纵筋应力 图8 1#桩受撞部位纵筋应力

4.3 船舶撞击力分析

船舶撞击力时程曲线见图9。由图可知，从船舶接触到桩身后撞击力迅速增大，在0.4 s左右达到峰值63.6 kN，其中法向靠泊力峰值62.3 kN远大于沿江切向撞击力峰值12.5 kN。

图9 船舶撞击力时程曲线

船舶与系缆墩碰撞过程是一个复杂的非线性过程，在碰撞的不同时段曲线出现了多次波动或卸载现象，每次卸载都代表了船艏的弹塑性变形及基桩混凝土的失效或破坏过程。整个碰撞过程持续约0.85 s，船舶在极短时间内产生较大撞击力，造成撞击点附近混凝土出现局部开裂和剥落现象。参考《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02—2020)[12]中关于钢筋混凝土柱式构件抗剪承载力计算方法，系缆墩基桩抗剪承载力约为280 kN，明显大于本次事故中的船舶撞击力，这说明基桩整体并未发生冲剪破坏。

5 结论

本文以南京某浮码头系缆墩船舶碰撞事故为例，基于LS-DYNA显式动力分析程序建立了船舶碰撞系缆墩的精细化有限元模型，通过对事故进行数值反演，明确了船舶的碰撞角度、速度以及系缆墩的损伤程度。主要结论如下：

(1)模拟结果表明，船舶碰撞角度约为30°、法向靠泊速度约为0.15 m/s时，系缆墩桩身破损情况与现场勘查结果最为吻合。

(2)1#桩顶部与墩台连接处结构应力集中现象明显，桩周四个方向均出现不同程度裂缝；撞击点处桩身混凝土剥落和钢筋外露；撞击点处下游侧和上游侧桩面出现明显裂缝；桩身结构基本保持完整，未发生断裂。

(3)1#桩顶部和撞击点部位4根主筋的应力值在撞击过程中均呈现出屈服状态，船舶撞击产生的应力波使各主筋应力在峰值过后一段时间内仍然维持在较高水平；基桩抗剪承载力相比船舶撞击力峰值有明显富裕，桩身整体并未发生冲剪破坏。

鉴于本次事故中系缆墩1#桩局部出现开裂等损伤，存在安全隐患，因此应进行修复。修复方案可考虑对撞击部位桩周进行钢筋混凝土浇筑加固，以及对桩顶与墩台连接处进行外粘钢板补强等。