大跨连续刚构薄壁墩防船撞动力数值模拟

荣帅　邵林　权新蕊

【摘 要】文章根据桥位航道等级及本项目航道通航条件影响评价报告确定船撞代表船型及水流速度，采用国内外五个常见的船撞力计算公式分别计算船撞力，并根据经验选取与实际情况较吻合的美国AASHTO公式数值作为桥墩的船撞力标准值。在中、高水位情况下，选取3°正向和25°侧向两个不同角度撞击桥墩的工况组合，采用大型有限元计算分析程序ANSYS，对桥墩分别进行有限元碰撞仿真计算。对计算结果进行综合分析，分别确定在未加防撞设施情况下和有柔性防撞消能设施情况下，桥墩自身抗力是否满足要求。

【关键词】大跨连续刚构; 双肢薄壁墩; 桥墩防撞; 碰撞动力数值分析

【中图分类号】U443.26【文献标志码】A

1 工程概况

本工程为渠县石盘渡口改公路桥（三汇中学特大桥）。所涉河流为州河，桥址位于渠县三汇镇。本桥全长502 m，主桥连续刚构跨径布置为（95+180+95） m。横向分幅设置，主梁采用单箱单室截面，主墩采用双肢薄壁墩。主跨跨越通航孔，3#墩位于常水位河岸边，4#桥墩位于主河槽中[1]（图1）。

1.1 桥位处通航条件

推荐桥位下距州河河口约820 m，上距舵石鼓电站约1 km。根据本项目航道通航条件影響评价报告[2]及其批复的结论，桥区河段通航等级为Ⅲ级，选用《内河通航标准》Ⅲ-（3）代表船队[3]，主尺度为160 m×10.8 m×2 m，最高通航水位为259.43 m，最低通航水位242.60 m，桥型实际通航净高为13 m，满足通航要求。主桥桥型方案为（95+180+95） m预应力混凝土连续刚构，180 m主跨作为通航孔，采用单孔双向通航方式，通航孔净宽162.7 m，大于计算所需的最小通航净宽140 m，在充分考虑助导航标志、防撞等安全设施后，能够满足通航要求（图2）。

1.2 防撞设施布设情况

按照本项目航道通航条件影响评价报告的要求，在3#、4#主墩设置钢-复合材料浮式防撞设施，其内部是由多个复合材料板梁结构的密封舱室结构组成的多舱室浮式防撞体，防撞设施布置图如图3、图4。

2 大桥桥墩撞击力确定

2.1 常用撞击力经验公式

船舶撞击力的计算方法中经验公式计算法占有很大的比重，包括我国公路、铁路规范在内，世界上不同组织提出了数十种船舶撞击力的经验公式，经验公式计算快捷简便，在无更详细船舶撞击力资料时采用，但不同的经验公式计算结果往往相差很大。

国际桥梁和结构工程协会（IABSE）编写“交通船只与桥梁结构的相互影响的综述与指南”以及交通部在内的许多机构也发表了相应的船舶碰撞的指导性文件或规范，关于船舶撞击力的计算有许多经验公式，常见的有以下五种。

2.1.1 公路规范规定

公路规范[4]规定通航河流中的桥梁墩台所受船只撞击力，可按漂流物撞击力计算。漂流物撞击力可按下式估算：

P=WV/（gT）

式中：P为漂流物撞击力; W为漂流物重力，根据漂流物情况，按实际调查确定; V为水流速度; T为撞击时间，应根据实际资料估计，在无实际资料时，一般用ls; g为重力加速度9.81 m/s2。

2.1.2 铁路规范规定

铁路规范[5]规定墩台承受船只或排筏的撞击力可按下式计算：

F=γVsina[w/（C1C2]0.5

式中：F为撞击力;γ为动能折减系数，s/m0.5。当船只或排筏斜向撞击墩台（指船只或排筏驶近方向与撞击点处墩台面法线方向不一致）时可采用0.2，正向撞击（指船只或排筏驶近方向与撞击点墩台面处法线方向一致）时可用0.3;V为船只或排筏撞击墩台时的速度。此项速度对于船只采用航运部门提供的数据，对于排筏可采用筏运期的水流速度;a 为船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难，可采用a=20°;W为船只重或排筏重;C1、C2为般只或排筏的弹性变形系数和墩台圬工的弹性变形系数。缺乏资料时可假定：C1C2=0.005 m/kN。

2.1.3 国际组织规定

国际桥梁和结构工程协会（IABSE）指南[6]规定计算船撞力的公式中，以船速代入的，有3个：

（1）（Minorsky ， Gerlach ， Woision）公式：

P=0.024（VDmax）2/3

式中：P为撞击力; V为船速;Dmax为船的满载排水量。

（2）索尔-诺特-格林那（Saul-SveIsson，Knott，Greiner）公式：

Pmax=0.88（DWT）1/2（V/8）2/3（Dact/Dmax）1/3

式中：Pmax为最大撞击力; V为船速;Dact为撞击时的排水量;Dmax为船只满载排水量。

（3）美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）[7]规定的公式为：

①轮船船撞力计算公式为：

Ps=1.2×105V（DWT）1/2

式中：Ps为船只的等效正面静撞击力; DWT为船只的载重吨数; V为船只的撞击速度。

②驳船队船撞力计算公式为：

PB=（6.0×106+1600aB）RB

式中：PB为船只的等效正面静撞击力; RB为驳船型宽m/10.7;aB为驳船撞击破损长度mm，aB=3100×[（1.0+1.3×10-7KE）1/2-1.0]，KE为撞击动能，考虑水动力系数，只计入撞击驳船队单列排水量。

2.2 大桥桥墩船舶撞击力计算

2.2.1 计算条件

（1）船撞代表船型

船撞代表船型见表1。

（2）水流流速

1 000 t船舶，船舶航行速度取4.2 m/s，水流平均速度2.5 m/s，通过美国AASHTO设计规范撞击速度插值，取3.9 m/s。

（3）计算工况

工况一：中、高通航水位，满载0 °正向撞击主墩防撞设施首部。

工况二：中、高通航水位，满载25 °侧向撞击主墩防撞设施侧部。

2.2.2 水中桥墩船撞力计算

采用通航桥区代表船型，在船舶满载的情况下，撞击桥墩来计算船舶撞击力。

2.2.3 根据经验公式计算桥墩船撞撞击力

根据经验公式计算桥墩船舶撞击力，见表2。

从表2可以看出，各个公式计算出的船撞力差异很大，由于桥墩和船舶的刚度、航速等的不同，船撞力的大小也会有所不同。通过多年来经验得出，桥墩船舶撞击力数值与美国AASHTO公式数值最为接近，与实际情况也较为吻合[8]。这里，取美国AASHTO公式数值作为桥墩的船撞力标准。

2.3 结论

综合考虑经验公式、结合同类桥梁船撞力研究经验，得出：顺桥向撞击力取横桥向撞击力的一半处理，大桥主桥墩船舶撞击力大小调整后见表3。

3 船撞防撞设施有限元仿真

有限元瞬态碰撞动力学分析方法，是通过建立撞击船舶、桥墩有限元模型，利用非线性有限元瞬态碰撞动力学方法，模拟碰撞过程中的结构的接触、变形、屈曲和破损，同时考虑材料应变率敏感性，以及碰撞过程中水对船舶和桥墩的碰撞影响。

在建立橋墩的碰撞有限元模型过程中，根据桥墩实际的几何结构和尺寸，选用刚性材料来模拟变形很小的钢筋混凝土桥墩，桥墩桩基采取刚性固定约束。

在船舶的建模过程中，对碰撞区船艏结构，按照船舶实际构件的布置和尺度，计算模型作了比较详细地描述。全船质量分布于船身及船艏的各单元上，重心位于中纵剖面上。模拟船体的各几何特性，如：质心、重心和惯性矩均与实船一致。船艏碰撞区材料考虑了船体材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响[9]。

碰撞过程是一个动态过程，其行为特征相当复杂，涉及到很多的因素[10]，如船舶的类型、航行速度、撞击角度、航道水深、流速、桥梁及基础的稳定性。大量的碰撞实例和模型试验表明，问题的焦点集中在撞击动能、船舶对桥墩的撞击力及相撞系统的形变势能（即吸收能量的能力）等几个方面[11-12]。

船舶与刚性桥墩碰撞采用自适应接触算法，运用LS-DYNA显式动力学分析软件，在船和刚性桥墩的撞击区之间定义主从接触。其中船舶和桥墩采用了多种单元进行了离散，如：考虑了应变率效应的板壳单元、梁单元、刚性材料单元等等，另外在船舶模型处理上考虑了附连水质量对结构的动力影响。下面，对桥墩分别进行了有限元碰撞仿真计算，如下共有2种工况组合，见表4。

3.1 主桥3#、4#桥墩防撞设施有限元仿真

3.1.1 正向撞击

1 000 t船舶3 °正向撞击桥墩防撞设施有限元仿真

计算工况：1 000 t级船舶满载（排水量1 548 t），3.9 m/s

由3 °正向碰撞力曲线（图7）可知，撞击力在横桥向（X向）、顺桥向（Y向）和垂向（Z向）的力的特点见表5。

由3 °正向向碰撞能量曲线（图8）可知，船舶的碰撞动能绝大多数转化为结构内能，碰撞过程中的沙漏能的量值几乎接近零，表说明计算结果可靠。

由3 °正向向碰撞速度曲线（图9）可知，船舶在碰撞过程中，在横桥向速度降低较快。

3.1.2 25 °侧撞击

1 000 t船舶25°侧撞击桥墩有限元仿真

计算工况：1 000 t级船舶满载（排水量1 548 t），3.9 m/s船舶撞击速度， 25°侧向撞击;（图10～图14是船舶和桥墩碰撞有限元模型与仿真）。

由25°侧向碰撞力曲线如图11可知，撞击力在横桥向（X向）、顺桥向（Y向）和垂向（Z向）的力的特点见表6。

由25°侧向碰撞能量曲线（图13）可知，船舶的碰撞动能绝大多数转化为结构内能，碰撞过程中的沙漏能的量值几乎接近零，表说明计算结果可靠。

由25°侧向碰撞速度曲线（图14）可知，船舶在碰撞过程中，在横桥向速度降低较快。

3.2 主桥3#、4#桥墩防撞设施有限元仿真结果汇总

综合有限元仿真结果，在中、高水位情况下，不同角度撞击防撞设施后，计算得出船舶撞击力汇总（表7）。

4 结论

通过有限元动力数值模拟分析计算，得出加装防撞设施后各个桥墩的船舶撞击力数值，如表8所示。

根据表8可以得出以下结论：

（1）通过分析可知，动态非线性有限元仿真分析可模拟船-桥碰撞的力学过程，并可为工程提供可靠的设计依据。

（2）通过有限元仿真计算可知，未加防撞设施情况下，得出的横桥向与顺桥向船舶撞击力均大于桥墩自身抗力，桥墩自身防撞能力无法满足要求，需设置防撞消能设施。而在有柔性防撞消能设施情况下，横桥向与顺桥向船舶撞击力均小于桥墩自身抗力，防撞设施设计满足要求。

参考文献

[1]四川省交通勘察设计研究院有限公司.渠县石盘渡口改公路桥（三汇中学特大桥）工程施工设计图[R] . 2020.

[2]四川省交通勘察设计研究院有限公司.渠县石盘渡口改公路桥（三汇中学特大桥）航道通航条件影响评价报告[R].2019.

[3]GB 50139-2014 内河通航标准[S].

[4]JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].

[5]TB110091-2017 铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[6]IABSE.Ship Collision with Bridges，Interational Association for Bridges and Structural Engineering[M]，1993.

[7][美]美国各州公路和运输工作者协会（ AASHTO） . 美国公路桥梁设计规范[M]. 辛济平，译.1998.

[8]王君杰， 颜海泉， 钱铧.基于碰撞仿真的桥梁船撞力规范公式的比较研究[J].公路交通科技，2006（2）：68-74.

[9]王君杰，陈诚.桥墩在船舶撞击作用下的损伤仿真研究[J].工程力学，2007（7）：156-160.

[10]吴永固，耿波， 汪宏.桥梁船撞动力有限元数值模拟分析[J].重庆大学学报：自然科学版，2010（10）：681-684.

[11]吴琼，刘令令，邓超，等.基于船撞桥墩有限元数值仿真分析[J].北方交通，2020（9）：1-5.

[12]王自力， 顾永宁.船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究[J].爆炸与冲击，2001（1）：29-34.

[定稿日期]2021-01-13

[作者简介]荣帅（1991～），男，硕士，工程师，从事桥梁设计相关工作。