桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果影响研究

2024-03-04王伟峰张晓丹吴卫国

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年2期

张磊, 刘斌, 王伟峰, 张晓丹, 吴卫国

(1.武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心,湖北武汉 430063; 2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院,湖北武汉 430063; 3.长江航道规划设计研究院,湖北武汉 430041)

0 引言

为了满足日益增长的交通运输需求,大跨度桥梁被广泛地运用到水面航道上。随着全球航运业的蓬勃发展,船舶的吨位与航速都在迅速增加,使得船桥碰撞的风险越来越大,因此无论是已有的桥梁或是新建桥梁,都需提升防撞性能、加装防护装置。由于位处航道边缘,大跨度桥梁的索塔结构被船舶碰撞的风险最高。索塔作为桥梁的承重构件,其结构形式有多种类型,常用的形式有单柱形、A形、倒Y形、倒V形等。不同形式的索塔,其水面附近塔柱结构倾斜方向也不同。

在船桥碰撞过程中,桥墩受到的撞击力与多重因素有关,船桥碰撞的问题是一个涉及多种复杂过程的非线性冲击动力学问题。最近国内外船桥碰撞方向的研究内容包括船撞力的影响因素[1-3]、船桥碰撞的等效模型研究[4-5]、基于新型防撞装置的性能研究[6-8]。这些研究采取数值仿真计算方法,分析船桥碰撞的破坏机理、总结撞击力的影响因素、研发新型防撞装置并验证其性能,以此使桥梁在船桥碰撞过程中更具有安全性,为桥梁结构设计与防撞装置的研制提供科学依据。各国学者在制定桥梁设计规范时提出桥梁撞击力计算经验公式,这些经验公式的原理各不相同,有的是通过大量试验总结而来,有的则是基于数值仿真的结果。这些研究成果并未考虑到桥墩倾斜方向对船撞力的影响,且较少讨论防撞装置的作用。其他研究船桥碰撞的方法包括实验法[9-10]、简化解析法[11]和有限元数值模拟[12-13]等。随着计算机硬件技术的飞速发展,尤其是非线性有限元技术的日益进步和成熟,使得在船桥碰撞问题的研究中,数值仿真技术的应用日益广泛。

为研究桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防撞效果的影响。本文基于有限元数值模拟方法,结合水路航道船舶吨位与航速增加的现状,选用浮动式钢覆复合材料防撞装置。针对2种典型倾斜方式的桥墩,模拟6 000DWT级散货船以2、3、4、5 m/s速度撞击防撞装置保护下的桥墩。对比计算结果并得出结论,为大跨度桥梁桥墩的设计与防撞装置的研发提供参考。

1 结构主尺度与碰撞场景

在船桥碰撞过程中,桥墩在水线面附近的结构是最容易被船舶撞击的部位,因此选择此部位进行数值仿真研究。根据桥墩在水线面附近的倾斜方向可将其分为内倾式桥墩和外倾式桥墩,其实际应用场景如图1所示。假定2种桥墩除倾斜方向不同外其他的参数均保持一致,桥墩迎撞面倾斜角度大小均为20°。

图1 2种典型桥墩应用场景

浮动式钢覆复合材料防撞装置主体采用刚度较大的加筋钢结构,主要结构由内、外侧板、底板、甲板、纵横舱壁等板架构件组成。装置主体有多个水密区域,内部装压载物,可以调整防撞装置浮态。其结构主尺度参数见表1所列。

表1 浮动式防撞装置的主尺度参数

撞击船舶为6 000DWT级散货船,具体主尺度参数见表2所列。

表2 6 000DWT级散货船主尺度参数

当船舶航行方向与桥墩法线夹角为0°时碰撞场景为正撞,此时桥墩受到冲击力最大。为对比桥墩倾斜方向对正撞时船撞力的影响,可假定2种情况:船舶分别正撞装备有防撞装置的内倾式桥墩和外倾式桥墩,碰撞场景示意图如图2所示。为对比不同撞击速度对计算结果的影响,船舶碰撞速度选择具有代表性的2、3、4、5 m/s。

图2 2种碰撞场景示意图

2 碰撞数值仿真分析

根据上文的计算工况,采用有限元软件LS-DYNA进行有限元仿真模拟计算,比较不同工况下桥墩撞击力时程曲线,分析碰撞过程中的结构损坏与能量转换。

2.1 有限元模型的建立

在分析桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果的影响,比较不同碰撞工况下桥墩受撞击力大小的过程中,桥梁的有限元模型选用整桥模型或者单墩模型对计算结果无影响。为节省程序运行时间,桥墩模型截取索塔水面附近的墩台结构进行仿真计算。桥墩模型材料属性设置为刚性材料,材料本构模型选用LS-DYNA材料库中的Mat.020 Rigid,模型网格特征长度取约600 mm。

自浮式防撞装置主要由钢材、复合材料夹层板和消能元件构成,其主体为加筋钢结构,内部填充复合材料,通过消元件与桥墩接触。由于内部复合材料在碰撞过程中相较防撞装置整体缓冲消能效果不明显,数值仿真计算时将其忽略。防撞装置主体的加筋钢结构材料为钢材Q235,有限元模型材料选用LS-DYNA材料库中的Mat.024 Piecewise Linear Plasticity。其材料参数见表3所列,模型网格特征长度约取200 mm,其真实应力-应变曲线如图3所示。

表3 船舶与防撞装置钢材材料参数

图3 钢材的真实应力-应变曲线

消能元件的材料为橡胶,采用实体单元建模,材料选用LS-DYNA材料库中的Mat.027 Mooney-rivlin Rubber,其材料参数见表4所列[7],模型网格特征长度取约200 mm。

表4 消能元件材料参数

碰撞船舶的主要结构材料与防撞装置主体结构材料相似,均为钢材Q235。划分网格时,船艏区域划分较为精细,网格特征长度取约100 mm,远离碰撞区域的船身,网格划分较为粗糙,在保证精度的同时,尽量节省程序运行时间。防撞装置与船艏模型的内部结构如图4所示。

图4 防撞装置与船艏模型的内部结构

船桥碰撞有限元模型如图5所示。桥墩定义为刚性体并全约束,桥墩、防撞装置、撞击船舶之间接触定义为Contact Automatic Single Surface。在有限元分析中,船舶的初始速度分别定义为2、3、4、5 m/s。

图5 船桥碰撞有限元模型

2.2 数值计算结果与分析

2.2.1 船撞力计算结果

4种速度撞击下2种桥墩承受撞击力时程曲线如图6所示。从图6可以看出,在船舶与自浮式防撞装置发生碰撞后,桥墩所受撞击力立即上升并呈现明显的波动。这是由于在碰撞初期,消能元件在向桥墩传递冲击力的过程中,自身也在不断地通过收缩、扩张吸收并释放能量,传递到桥墩的力出现震荡。当船舶撞击速度较大时,桥墩可能被船舶球鼻艏越过防撞装置直接碰撞,桥墩承受冲击力陡增,碰撞发生的时间点如图6中撞击点A、B所示。图6中:撞击点A表示内倾式桥墩被球鼻艏直接碰撞;撞击点B表示外倾式桥墩被球鼻艏直接碰撞。随着撞击力逐渐达到峰值,船舶与防撞装置结构不断发生破坏并吸收能量。碰撞发生一段时间后,船速逐渐下降直至回弹,碰撞结束。

图6 撞击力与时间曲线对比

撞击力峰值对比情况见表5所列。

对比不同速度下2种桥墩承受撞击力时程曲线与撞击力峰值表可知,碰撞过程中外倾式桥墩受到撞击力峰值明显更小。当撞击速度为2 m/s时,2种桥墩受到撞击力曲线基本吻合。撞击力峰值出现时间相近,大小差距仅0.7 MN。说明当船舶撞击速度较小时,桥墩倾斜对自浮式防撞装置防护效果影响很小。当速度增加到3、4 m/s时,由于内倾式桥墩分别于0.75、0.50 s被船舶的球鼻艏直接撞上,导致撞击力陡增,与相同速度下外倾式桥墩的撞击力曲线相比呈现明显的差异,撞击力峰值差距分别达到9 MN与13 MN。当速度增加到5 m/s时,巨大的动能使2种桥墩分别于0.40 s与1.00 s被球鼻艏直接撞上。由于外倾式桥墩被球鼻艏撞上时船舶大部分动能已经被吸收,撞击力对比内倾式桥墩增加有限,2种桥墩撞击力峰值差为6 MN。

2.2.2 能量转换结果

根据船桥碰撞外部动力学理论公式:

E=Ed+Em+Et+E(f-d)

(1)

其中:E为船舶碰撞前的初始动能;Ed为船舶通过变形吸收的能量;Em为撞击力为0以后船舶的回弹势能;Et为碰撞过程中摩擦耗能;E(f-d)为防撞装置通过变形吸收的船舶动能。船舶的初始动能在碰撞发生后主要转化为船舶和防撞装置吸收能量、摩擦等消耗能量和船舶回弹后动能。

8种碰撞工况结束后各部分能量占比见表6所列。由于自浮式防撞装置结构强度较大,碰撞过程中防撞装置通过结构变形吸收的能量占比较小,船舶的大部分动能通过船舶变形吸收。对比由于桥墩倾斜方向不同导致能量转换的区别:当撞击速度为2 m/s时,碰撞外倾式桥墩时船舶变形吸收的能量占比更多,相较碰撞内倾式桥墩时多吸收10%的能量;碰撞过程中摩擦耗能少10%;防撞装置变形吸能相近,仅少3%。当撞击速度增大到3 m/s以上,撞击外倾式桥墩时船舶变形吸收量占比相较碰撞内倾式桥墩时少吸收6%～9%的能量;防撞装置变形吸收的能量为内倾式桥墩防撞装置的2～3倍。2种桥墩防撞装置变形能与回弹后船舶动能大小相当。综上,当撞击速度大于3 m/s,外倾式桥墩更能发挥防撞装置缓冲消能的作用。

表6 典型工况碰撞结束后能量分布占比

2.2.3 船艏与防撞装置变形结果

撞击速度选择具有代表性的3、5 m/s进行研究。碰撞过程中船艏与防撞装置应变云图分别如图7、图8所示。从图7、图8可以看出,撞击不同倾斜方向桥墩的船舶船艏凹陷方向也不同。这是由于在碰撞过程中防撞装置受到的力并不均匀,且消能元件不断变形调整位置,防撞装置在撞击发生后产生了朝向桥墩撞击面法线方向的偏转,船舶随之也发生纵倾,纵倾示意图如图9所示。纵倾方向不同,船艏受到防撞装置传递的反作用力方向也不同。