宗莉娜,劉偉慶,方 海,莊 勇

(1.江蘇開放大學 建筑工程學院，江蘇 南京 210036；2.南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210009；3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430034)

船橋碰撞中各因素對船撞力影響的研究

宗莉娜1,劉偉慶2,方 海2,莊 勇3

(1.江蘇開放大學 建筑工程學院，江蘇 南京 210036；2.南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210009；3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430034)

對國內外常用的橋梁船撞力簡化計算公式進行了討論和分析，剖析了國內現有的規(guī)范公式所存在的問題。通過大量的船舶撞擊剛性墻的數值模擬，研究船舶速度、噸位、接觸面積對船撞力大小的影響。

船橋碰撞;有限元仿真;船撞力

0 引言

船舶撞擊橋墩結構產生的撞擊力與多種因素相關，如船頭形式、船舶噸位、碰撞方向、運行速度、水的作用、橋墩剛度以及橋墩截面形狀和尺寸等。即使是撞擊相同的橋，不同的撞擊條件下所得到的船撞力大小也各有不同。此外，船艏的結構形式和尺寸也將會影響撞擊作用時接觸面的大小和形狀。由相關研究可以發(fā)現：同一噸位級別但不同類型的船舶，由于船艏結構形式與尺寸大小不同，導致的碰撞作用也有所差異。本文主要研究船舶噸位、船舶運行速度、船艏的結構形式以及船橋碰撞的接觸面積等因素對船撞力大小的影響，從而分析得到船撞力與各影響因素之間的內在規(guī)律。

1 船橋撞擊力經驗公式及其比較

1.1 橋梁船撞力的實用計算方法

由于船撞問題的復雜性，各國學者也都進行研究，所以用于計算船撞力的經驗公式也較多，主要有以下幾種。

1.1.1 美國公路橋涵設計規(guī)范公式

1991年，美國各州運輸官員協(xié)會(AASHTO)頒布了《公路橋梁防撞設計指南》，提出船撞力的經驗公式為：

P=0.98(DWT)1/2(v/8)

(1)

1994年將公式修改為：

(2)

式中：P為等效靜態(tài)撞擊力，N；v為撞擊速度，m/s；DWT為船舶載重噸位，t。

1.1.2 歐洲規(guī)范公式

1999年，歐洲規(guī)范Eurocodel提出船舶的撞擊力可以按照式(3)計算。

(3)

式中：K為船舶的剛度，其中，內陸航道K=5MN/m、v=3m/s，海洋航道K=15MN/m、v=3m/s；M代表船舶質量，kg。

1.1.3Woisin公式及其修正

Woisin教授對散裝貨船與剛性墻的碰撞進行了縮尺模型試驗，從而歸納得到了散裝貨船撞擊橋墩的平均撞擊力的簡化公式：

(4)

1.1.4 我國公路橋涵設計通用規(guī)范公式

通航河道中的橋梁結構所受到的船舶撞擊力大小，可以近似按漂流物撞擊進行計算：

P=Gv1/(gt)

(5)

式中：P為漂流物撞擊力，N；G為漂流物重力，kN；v1為水流速度，m/s；t為撞擊時間，一般取1s；g為重力加速度，m/s2。

1.1.5 我國鐵路橋涵設計基本規(guī)范公式

我國《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》[1]中將船舶與橋梁結構的撞擊力等效為一偶然載荷，也是采用的“靜力法”進行計算，即假定船舶的初始動能全部轉化為船撞力所完成的總功。假設船舶的質量為m，運行速度為v2，撞擊角度為α，根據碰撞前后的功能互等原理得到撞擊力：

(6)

1.1.6 其他經驗公式

挪威路橋局規(guī)定了船舶撞擊橋梁的碰撞力大小公式為： P=3.5(DWT)1/3。北歐道路局對渡輪撞擊橋梁的碰撞力取為： P=0.5(DWT)1/2。國內，錢鏵[2]基于對船橋碰撞的研究，提出了船撞力公式：

式中：Ca為反映P和M、v的相關參數；Cb為橋墩的剛度變化時船撞擊力變化的參數。

此外，同濟大學王君杰[3-5]、上海交通大學船舶與海洋工程學院劉建成等[6-7]也進行了很多研究。

1.2 國內外規(guī)范經驗公式對比分析

根據以上經驗公式取2 000～30 000t船舶進行計算。由于歐洲規(guī)范規(guī)定內河航道速度取3m/s，所以對于各公式中的水流速度、撞擊速度、運行速度都取v=3m/s。根據各公式計算的結果見圖1。

圖1 各規(guī)范船撞力與船舶噸位的變化

從圖1的計算結果可以看出，我國鐵路橋規(guī)公式(γ=0.3)計算得到的船撞力結果始終最小，且是遠遠小于其他公式的計算結果。公路橋規(guī)公式曲線斜率較陡，在船舶噸位較小時其計算結果較小，但隨著船舶噸位變大的過程中計算值變化太大。

2 船橋碰撞力的影響因素分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA進行數值計算，研究各因素對船撞力的影響。

2.1 船舶參數及有限元模型

2.1.1 船舶質量及尺寸

本文采用的船舶噸位級別主要有1 000、3 000、5 000 t這3種。各噸位船舶的具體參數見表1，表中，船高代表船舶型深。

表1 不同噸位船舶的各類參數表

2.1.2 船舶的有限元模型

船橋接觸碰撞過程中結構發(fā)生了很大的非線性變化，如船舷結構會發(fā)生屈曲、壓潰等破壞現象，因此要確保整個撞擊過程的真實性，必須準確地模擬船舷的形狀和構造。圖2為各種噸位船舶的有限元模型[8]?；谛屎途葍煞矫娴目紤]，將計算模型的船頭處的網格劃得很密，向后逐漸變疏；認為船身部分并不發(fā)生變形，而假設為剛性體，以便可以精細地模擬船頭處的壓潰變形及破壞。

圖2 船舶有限元模型

2.2 船舶運行速度

船舶的噸位和運行速度直接決定了發(fā)生船橋碰撞時的總能量大小。國內的公路和鐵路規(guī)范、美國規(guī)范以及歐洲規(guī)范均將船舶運行速度對碰撞力的影響作用直接表示為：船撞力與速度大小完全成正比關系，由此說明，運行速度對船舶撞擊作用的影響是很顯著的。

本文以1 000 t級船舶為模型，分別取船舶碰撞速度為1、4、6 m/s。3種工況下的船撞力時程曲線如圖3所示。

圖3 不同速度下的船撞力時程曲線圖

從圖中看出，船撞力的最大值隨著速度的增加而增大。當速度分別為1、4、6 m/s時，所相應的船撞力最大值分別為3.16、13.04、18.79 MN，船撞力達到最大峰值的時間分別為0.81、0.77、0.74 s，其比值為：1：4.13：5.96，與速度的比值1：4：6非常接近，因而可以近似認為最大船撞力與運行速度和之間呈線性增長。

為了更好地反應最大船撞力與速度之間的關系，進一步模擬了3 000、5 000 t船舶在不同速度下的撞擊情況，并且增加了2、8 m/s這2種速度。具體的計算結果見表2。

表2 各噸位船舶在不同速度下的船撞力計算結果

將表中的計算結果繪于圖4。從圖中可以發(fā)現，船撞力的最大值與船舶速度之間的關系基本上是呈線性增長的趨勢。

圖4 船舶撞擊力與速度的關系

2.3 船舶噸位

由表2結果得到的不同速度下船舶撞擊力與噸位的關系曲線圖如圖5所示。圖中，最大撞擊力與船舶質量或噸位成非線性關系，而且其增長趨勢比較符合冪函數規(guī)律，因此可采用冪函數的形式對其進行擬合。選用冪函數y=axb的形式，可以擬合出各船舶速度下的船撞力與噸位的關系曲線。

圖5 船舶撞擊力與噸位的關系

具體擬合過程中得到的各參數取值見表3。

表3 船撞力與墩身寬度關系曲線的擬合結果

由表3的擬合結果可以發(fā)現：冪次方b均是介于0.5～1.0之間，因此，船舶撞擊力既不是國內鐵路橋規(guī)中與船舶噸位成正比的關系，也不是美國規(guī)范和修正的Woisin公式中的與船舶噸位開方成正比的關系，而應該是介于兩者之間。

2.4 船橋碰撞接觸面積

在船橋碰撞事故中，由于不同的水位以及不同橋墩類型等因素都會影響船舶與橋墩碰撞時的接觸面積的大小，而接觸面積的大小可能會對船橋碰撞力產生影響，因此，有必要研究不同撞擊接觸面積對船撞力的影響。

本文模擬了3 000 t船舶與剛性墻的3種不同相對位置的碰撞工況，即整個船艏與剛性墻完全接觸、僅讓船的整個球鼻部分與剛性墻發(fā)生碰撞以及僅讓船球鼻的下部分與剛性墻發(fā)生碰撞。3種工況的船橋碰撞模型和計算結果分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同接觸面積下船與剛性墻碰撞模型

圖7 船艏不同接觸面積下的船撞力比較

從圖7可以看出，3種碰撞情況下船撞力峰值分別為：27.20 MN(整個船頭撞擊)，17.36 MN(整個球鼻撞擊)，15.82 MN(部分球鼻撞擊)。這一結果說明當接觸面積越大時船撞力的峰值也越大。

此外，當整個船頭與剛性墻接觸時碰撞過程持續(xù)了約1.41 s；當整個球鼻與剛性墻接觸時，碰撞過程持續(xù)了1.79 s；當僅有部分球鼻與剛性墻接觸時，碰撞過程則持續(xù)了1.85 s。從上述現象發(fā)現，當接觸面積增大時撞擊過程的總時間會減少。之所以會產生以上的現象，很可能是因為：在相同條件下，當接觸面積大時，2個相撞的物體之間產生相互作用力也增大了。從整個系統(tǒng)的動量轉化來看，首先是船舶的動量不斷地減少直至為零，然后受到橋墩的反作用而獲得少量的反向動量。

船撞力對時間的積分結果見表4。從表4中的各積分結果發(fā)現，3條船撞力時程曲線與坐標軸所圍成的面積即沖量相當接近。因此，盡管接觸面積有所不同，但可以認為在碰撞過程中∫f(t)dt的取值是近似相同的，即雖然船橋碰撞的部位不同，碰撞過程中總的沖量是接近的[9]。

表4 船撞力對時間的積分結果

因此，在總沖量相同時，接觸面積越大，2個相撞物體船、橋之間產生相互作用力的峰值越大，碰撞所持續(xù)的時間也就越少。

3 結論

本文主要研究船橋碰撞中各因素對撞擊力的影響，研究得出如下結論。

(1)通過研究船舶正碰剛性墻，得出了最大船撞力與速度近似成正比的關系，與目前經驗公式中船撞力與運行速度大小成正比的規(guī)定是一致的。

(2)船舶噸位對船撞力的影響既不是我國公路橋規(guī)所表示的與噸位成線性關系，也不是 AASHTO和修正的Woisin中與噸位開方成正比關系，而是介于兩者之間。

(3)當船橋碰撞接觸面積越大，船撞力峰值也相應增大，而碰撞過程的持續(xù)時間相應減少。

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路橋涵設計基本規(guī)范：TBl0002D1—2005[S]. 北京：中國鐵路出版社，2005.

[2] 錢燁. 橋梁船舶碰撞的簡化分析[D]. 上海:同濟大學, 2003.

[3] 王君杰,陳誠,汪宏,等. 基于碰撞數值模擬的橋梁等效靜力船撞力-基本公式[J]. 公路交通技術,2009(2):66-70.

[4] 王君杰,孟德巍,歐碧峰. 輪船艏部正撞剛性墻面的基本沖擊荷載模型[J]. 振動與沖擊,2010(11):165-170，260.

[5] 王君杰,宋彥臣,卜令濤. 橋墩船撞力時間過程概率模型[J]. 公路交通科技,2014(1):82-88.

[6] 劉建成, 顧永寧, 胡志強. 橋墩在船舶碰撞中的響應及損傷分析[J]. 公路, 2002(10): 33-41.

[7] 劉建成, 顧永寧. 船-橋碰撞力學問題研究現狀及非線性有限元仿真[J]. 船舶工程, 2002(5): 4-9.

[8] 陳向東，金先龍. 基于并行算法的船橋碰撞數值模擬分析[J]. 振動與沖擊, 2008(9)：82-86.

2016-07-20

國家自然科學基金重點項目(51238003)；國家自然科學青年基金(51008157)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(12KJA580002)

宗莉娜(1989—)，女，助教，研究方向為結構工程。

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