王貝殼，陳 濤，楊黎明，劉 軍，董新龍，周風華，王永剛

(寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211)

非通航孔橋墩自適應攔截網(wǎng)防撞裝置實船 攔截試驗與水動力計算

王貝殼，陳 濤，楊黎明，劉 軍，董新龍，周風華，王永剛

(寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211)

針對非通航孔橋墩，研發(fā)了一種自適應攔截網(wǎng)防船舶撞擊裝置，主要由系泊大浮體、系泊錨鏈和固定錨、自適應小浮筒、攔截網(wǎng)、恒阻力纜繩以及觸發(fā)鋼索所組成。闡述了該防撞裝置設(shè)計原理，即偏航船舶撞擊該防撞裝置，小浮筒會帶動攔截網(wǎng)自適應地從水平狀態(tài)豎起展開，包裹住來撞船首，再通過相連浮體的運動阻力和恒阻力纜繩來吸收船舶動能，攔截住船舶，保護非通航孔橋墩安全。隨后介紹在福建平潭海峽大橋引橋附近海域?qū)嵤┑膶嵈矒糇赃m應攔截網(wǎng)防撞裝置的大型試驗，試驗結(jié)果顯示：自適應攔截網(wǎng)成功升起，船舶被安全攔截，從而實驗證實了設(shè)計原理與設(shè)計方案的可行性和可靠性。最后，采用大型水動力分析軟件AQWA對防撞裝置攔截船舶過程進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，說明了數(shù)值仿真具有較好的計算精度和可靠性，能夠為該防撞裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供重要的參考。

自適應攔截網(wǎng)防撞裝置；非通航孔橋墩；實船碰撞；水動力分析

Abstract: An adaptive arresting net crashworthy device has been developed for protecting non-navigable channel piers against ship collisions, which consists of mooring floating boats, mooring cable and mooring anchors, adaptive floating buckets, arresting net, triggering wire rope and constant resistant force cables. When a ship impacts the adaptive arresting net crashworthy device, one head of the adaptive floating buckets will rise due to the floating force, then the arresting net can capture the ship. Enormous kinetic energy of ship is consumed by a series of resistant force cables failure. The ship collision tests at full scale and hydrodynamic analysis of the adaptive arresting net crashworthy device had been conducted. The motion response of the crashworthy device impacted by ship was observed and discussed. The experimental results show that the arresting net is adaptive and the ship can be prevented successfully. By using hydrodynamic analysis software ANSYS-AQWA, a numerical simulation model of the adaptive arresting net crashworthy device is established. The numerical simulation results are in reasonable agreement with the experimental results.

Keywords: adaptive arresting net crashworthy device; non-navigable channel piers; ship collisions; hydrodynamic analysis

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)+經(jīng)濟模式的出現(xiàn)，人們對物資高效便捷流通提出更高的要求。為了陸上交通運輸?shù)姆奖悖陙碓谖覈睾５貐^(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了跨江、跨海的超長特大橋，例如：上海市的東海大橋和長江大橋；浙江省的杭州灣跨海大橋；金塘大橋和象山港大橋；福建省平潭海峽大橋以及在建港珠澳大橋等等。與此同時，海上交通運輸也迅速發(fā)展，船舶的數(shù)量、噸位和航行速度日益增加，因此，船舶撞擊時的破壞力將不斷增加[1]。一旦船橋相撞，將帶來嚴重經(jīng)濟損失、人員傷亡、甚至是災難性水環(huán)境污染，例如：2007年6月，廣州九江大橋非通航孔橋墩被運沙船撞塌；2007年11月“中遠釜山”號貨輪撞上美國舊金山大橋，橋梁未毀，但船體受損，大量重油泄漏，嚴重污染了舊金山灣區(qū)。為了超長特大橋的安全，在設(shè)計、建設(shè)和運營管理中需要慎重考慮橋梁防船撞問題。為此，人們已開展了較多的計算分析研究工作[2-4]，也發(fā)展了許多橋墩防船撞防護裝置，如：柔性防撞裝置、人工島、獨立防撞墩以及套箱防護等[5-7]。然而，這些防護裝置造價都比較昂貴，主要適用于數(shù)量少的通航孔橋墩，而對數(shù)量眾多的非通航孔橋墩不用考慮航道的要求，可以采用攔截的方法，阻止船舶靠近大橋，避免船舶與橋墩的碰撞。目前已發(fā)展一種非通航孔橋墩抗船舶撞擊攔阻索系統(tǒng)[8]，該攔阻索系統(tǒng)是將浮體和鏈條或鋼絲繩、鉸鏈相互連接而成，浮于水面。船舶撞擊索鏈或浮體時，浮體之間的索鏈擋拉住沖撞的船舶，船舶和浮體一起移動，而浮體拖著錨錠和沉塊，錨錠和沉塊可在水底移動幾十至上百米，錨錠和沉塊在水底的泥土中的移動可產(chǎn)生很大的拖阻力(摩擦力)，從而吸收船舶的巨大動能。但該系統(tǒng)具有兩個缺點: 1) 船舶撞擊攔阻索，在索鏈攔阻沖撞船的同時，索鏈有向船底滑動(滾動)的危險，這使得防撞系統(tǒng)的浮筒及攔阻索鏈被船舶壓入水下，船舶從索鏈上方駛過，而導致防撞系統(tǒng)失效；2) 攔截系統(tǒng)對船舶的攔截阻力來自于錨錠和沉塊在水底的滑動摩擦力，這種滑動摩擦力不僅隨著水底表面地質(zhì)條件和地貌的變化而改變，而且隨著時間增加而增大，因此攔截阻力具有非常大的不確定性，這對工程設(shè)計是非常不利的。從目前研究現(xiàn)狀來看，非通航孔橋墩防船撞技術(shù)研發(fā)并沒有引起人們的重視[9]。另外，為了減低工程造價，非通航孔橋墩的設(shè)計水平抗力較通航孔橋墩要低很多，其防撞等級大幅減低，因此，非通航橋梁被偏航船舶或失控船舶撞擊時的危險性甚至比通航孔橋墩更高，如上述九江大橋非通航孔橋墩被運沙船撞毀。

由此看來，研究如何合理設(shè)計非通航孔橋墩防船舶撞擊裝置是非常重要的，有著強烈的工程應用需求。針對非通航孔橋墩防撞問題，提出一種自適應攔截網(wǎng)防撞技術(shù)，該技術(shù)將克服上述的攔阻索系統(tǒng)的缺點，并工程應用于福建平潭海峽大橋。首先討論自適應攔截網(wǎng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理，開展實船撞擊試驗來檢驗設(shè)計思想與設(shè)計方案的可行性和可靠性，最后對該防撞裝置進行了全尺寸水動力計算分析。

1 自適應攔截網(wǎng)裝置結(jié)構(gòu)與原理

當船舶因為機械故障或操作者行為不當而失控時，船舶將會以非常高的概率撞擊到非通航孔橋墩。如果采用前述的人工島、獨立防撞墩，由于非通航孔橋墩數(shù)量眾多，從而導致工程造價太大，經(jīng)濟上難以承受；若采用附著式套箱技術(shù)或柔性防撞裝置技術(shù)，雖然大幅降低了船舶撞擊力，但由于非通航孔橋墩抗船舶撞擊能力很弱，仍然難以承受。為此，需要發(fā)展一種船舶攔截技術(shù)來有效避免失效船舶與非通航孔橋墩的接觸碰撞，達到保護橋梁的目的。

這里，我們發(fā)展一種自適應攔截網(wǎng)防撞裝置，它的基本結(jié)構(gòu)由系泊大浮體、系泊錨鏈和固定錨、自適應小浮筒、恒阻力纜繩、超強高分子材料制作攔截網(wǎng)、觸發(fā)鋼索組成，如圖1所示。系泊大浮體總長23.36 m，型寬10 m，高3.2 m，設(shè)計吃水1.4 m，自重約275 t。船首和船尾各設(shè)2套錨鏈裝置。系泊大浮體在整個防撞裝置系統(tǒng)中起定位作用，兩個系泊大浮船之間距離120 m。自適應小浮筒的尾部形狀是一個直徑3 m的半球，中間是5 m長的圓柱體和5 m長的錐體(大端直徑3 m、小端直徑0.5 m)，最前端為8.5 m的錐管組成，自重約8 t。自適應小浮筒的形狀設(shè)計是整個攔截系統(tǒng)的關(guān)鍵點。在工程全尺寸設(shè)計之前，在實驗室開展了一系列縮比(縮比率50∶1)模型實驗。模型實驗中采用的典型小浮筒形狀如圖2所示，實驗結(jié)果顯示類啤酒形狀的小浮筒的自適應行為最好。高強度攔截網(wǎng)采用抗海水腐蝕的超高分子量高強度聚乙烯繩(迪尼瑪，單根繩索的抗拉強度100 t)組成，網(wǎng)眼縱向分布為5 m、4 m、3 m，橫向間距3 m。攔截網(wǎng)固定在自適應小浮筒上，同時在小浮筒端部連接著觸發(fā)鋼索。平常狀態(tài)下自適應攔截網(wǎng)防撞裝置平躺在海面上，這樣可以提供較好地抵抗波浪載荷和風載。緊急狀態(tài)下，船舶撞擊該攔截裝置，船舶首先推動第一根觸發(fā)鋼索，在船撞力作用下，鋼索沿著船體向下滑動(滾動)，帶動自適應小浮筒端部下沉，在浮力作用下小浮筒另一端升起，拉動攔截網(wǎng)從水平狀態(tài)豎起展開，包住船頭或大型船舶的球鼻首。采用攔截網(wǎng)包住船頭克服了攔阻索系統(tǒng)存在的船舶從索鏈上方駛過的缺點。圖3給出了攔截網(wǎng)自適應原理示意圖。攔截網(wǎng)隨船舶一起向前運動，從而拉動鄰近的自適應小浮體，并帶動系泊大浮體及系泊錨鏈一起運動，逐漸消耗船舶的動能。對于噸位較小、航行速度較慢的船舶，在不啟動恒阻力纜繩條件下，該防撞裝置也可以攔截住船舶。而對于大噸位或航速較快的船舶，通過系泊大浮船及自適應小浮筒的運動阻力不能消耗掉船舶的所有動能，這時需要啟動恒阻力纜繩，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由主繩-鋼錨鏈加副繩-尼龍纜繩組成。恒阻力纜繩一端與攔截網(wǎng)相連，另一端固定在系泊大浮船上。船舶帶著攔截網(wǎng)向前運動時，恒阻力纜繩也將同時受張力，當張力達到恒阻力纜繩設(shè)計張力時，恒阻力纜繩的副繩開始一根一根變形、斷裂，從而逐漸消耗掉巨大的船舶動能，最終船舶被成功攔截。通過多根尼龍纜繩的變形斷裂來消耗船舶巨大能量，該消能方式便于工程設(shè)計，根據(jù)需要攔截的船舶動能來選擇恒阻力尼龍纜繩的伸長量(即根數(shù))。

假定在攔截船舶的過程中，設(shè)計恒阻力纜繩對船舶的平均阻力為80 t，若要攔截排水量1萬噸、航速4 m/s的船舶(動能為80 MJ)，則恒阻力纜繩的伸長量L:

通過恒阻力纜繩來消耗船舶動能克服了攔阻索系統(tǒng)采用拖錨消能方式而存在的攔截阻力不確定問題。

圖1 自適應攔截網(wǎng)防撞裝置的基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic of the adaptive arresting net crashworthy device for ship collision

圖2 縮比模型實驗中采用的自適應小浮筒的形狀Fig. 2 Image of the adaptive floating bucket with different shapes

圖3 自適應攔截網(wǎng)原理性示意Fig. 3 Principle of the adaptive arresting net

圖4 恒阻力纜繩的示意Fig. 4 Constant resistant force cable

2 實船撞擊實驗

上述的自適應攔截網(wǎng)防撞裝置已安裝于福建平潭海峽大橋。為了檢驗該防撞裝置的攔截效果，進行了實船撞擊實驗。圖5給出了海面上安裝好的自適應攔截網(wǎng)裝置和撞擊船舶的實物照片。實驗選用一艘1 200噸級的雜貨海輪作為撞擊船舶。

圖5 安裝于海面上自適應攔截網(wǎng)防撞裝置及撞擊船舶Fig. 5 Image of the adaptive arresting net crashworthy device and the impacting ship

實船撞擊實驗中，采用了攝像機、圖像標志點識別以及6自由度慣性測量單元等監(jiān)測和測量手段，對自適應攔截網(wǎng)的運動姿態(tài)和撞擊船舶的運動過程都進行有效地觀測。從低速到高速，實船撞擊實驗一共進行了6次。圖6給出了一組典型的不同時刻自適應攔截網(wǎng)的運動姿態(tài)(船舶航速3.5 m/s)。從中可以看到：撞擊初期階段，由于系統(tǒng)中各種連接纜繩都處于松散狀態(tài)，在船舶推動下，系泊大浮體和自適應浮筒一起向前運動，纜繩逐漸被拉緊；當?shù)谝桓|發(fā)鋼纜拉緊受力后沿船首向船底運動，帶動自適應浮筒粗端部沉入水中，產(chǎn)生較大浮力； 隨后，在浮力作用下，自適應浮筒另一細端開始升起，帶動攔截網(wǎng)升起；最后，自適應攔截網(wǎng)從水平狀態(tài)豎起，超過了船首的高度，并包裹住船首，船舶緩慢減速，最終被成功攔截，實現(xiàn)了即保護橋梁，又保護船舶和人員的目的。圖7給出實驗測量的撞擊船舶減速時程曲線，從中可以看到經(jīng)過12 s左右船舶速度從3.5 m/s降為0 m/s。圖8給出了自適應浮筒抬升角度的時程曲線，最大抬升角約50°左右。

圖6 典型船舶撞擊實驗Fig. 6 Typical ship collision experiments

圖7 實驗與計算的船舶速度時程曲線對比Fig. 7 Comparison of experimental and numerical results of the ship speed

圖8 船舶撞擊位置一側(cè)自適應浮筒抬升角度時程曲線Fig. 8 Comparison of experimental and numerical results about the rotation angle of adaptive floating bucket

3 水動力計算分析

3.1計算軟件與計算模型建立

上述的自適應攔截網(wǎng)防撞裝置整個工作流程中涉及到結(jié)構(gòu)流體動力學、多體作用水動力學、系泊浮體纜索動力學以及結(jié)構(gòu)碰撞等復雜問題。這里，采用ANSYS-AQWA水動力分析軟件來進行數(shù)值仿真分析。AQWA是一款應用3D衍射/輻射方法計算波浪載荷與浮體運動的多體水動力分析軟件，在海洋結(jié)構(gòu)工程中應用非常廣泛[10-11]。

圖9 自適應攔截裝置的水動力計算模擬Fig. 9 Hydrodynamic analysis model of adaptive arresting net crashworthy device in AQWA

基于實驗數(shù)據(jù)，在ANSYS-Workbench仿真平臺上建立自適應攔截裝置和撞擊船舶的全尺寸有限元模型，如圖9所示，定義了有關(guān)水動力計算參數(shù)。模型中各結(jié)構(gòu)件之間通過線性纜索進行連接，系泊大浮體通過8根大質(zhì)量非線性系泊錨鏈固定于海底。由于AQWA軟件中不能直接給船舶施加初速度，這里通過纜索絞車(cable winch) 來對船舶施加初速度，即開始時用一根纜索拉著船舶加速，當達到設(shè)計速度時，定義纜索斷開。另外，如何定義船舶與觸發(fā)鋼索之間碰撞接觸也非常重要。AQWA軟件中也不可以直接定義結(jié)構(gòu)物與纜索之間接觸，為此在觸發(fā)鋼索上人為附加上小質(zhì)量結(jié)構(gòu)體，通過定義船首與小結(jié)構(gòu)體之間接觸來模擬船舶與觸發(fā)鋼索之間作用，并考慮了摩擦的影響。

3.2計算結(jié)果分析

對整個裝置進行時域響應分析，獲得船舶與攔截系統(tǒng)相撞過程中自適應攔截網(wǎng)運動實時響應，如圖10所示，圖中顯示整個裝置的運動姿態(tài)與圖6給出實驗結(jié)果非常一致，并且看到只有當系泊大浮體外側(cè)系泊錨鏈被完全拉直后，自適應浮筒的一端才開始抬升。圖11給出了外側(cè)系泊錨鏈最大張力時程曲線，最大張力達到1 000 kN，并且在自適應浮筒開始抬升后，系泊錨鏈張力迅速增大。另外，在圖11中還給出了觸發(fā)鋼索的張力時程曲線，最大張力接近800 kN。實驗中，由于沒有防水的大噸位測力傳感器，因此觸發(fā)鋼索和系泊錨鏈上張力沒有進行實時測量。但在工程設(shè)計中我們選用的系泊錨鏈最大張力1 500 kN，觸發(fā)鋼索最大張力是1 200 kN，纜索張力的計算結(jié)果都低于設(shè)計值。在整個實驗過程中，也沒有發(fā)生系泊錨鏈和觸發(fā)鋼索被拉斷現(xiàn)象，因此從定性上可以反映了仿真結(jié)果具有一定可靠性。為了跟實驗結(jié)果進行定量的比較分析，這里從仿真結(jié)果也提取出被攔截船舶速度和自適應小浮筒抬升角度等相關(guān)結(jié)果，見圖7和圖8。從圖中看到：船舶減速時程曲線兩者一致性非常好，自適應小浮筒抬升角度的計算結(jié)果與實驗結(jié)果也比較接近，小差異的原因可能是實驗時海況條件與計算海況條件不同而導致的。

總體來說，自適應攔截網(wǎng)防撞裝置的水動力計算模擬幾乎完全再現(xiàn)了實船撞擊實驗，并且可以提取出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的受力、運動響應曲線，這將為整個裝置的工程設(shè)計與優(yōu)化提供非常重要的參考。

圖10 自適應攔截網(wǎng)運動姿態(tài)圖像Fig. 10 Motions of the crashworthy device

圖11 AQWA中船舶撞擊攔截裝置過程Fig. 11 Process of ship collision interceptors in AQWA

4 結(jié) 語

針對橋梁非通航孔橋墩防船舶撞擊問題，設(shè)計了一種非通航孔橋墩自適應攔截網(wǎng)防撞裝置。首次實施了實船攔截試驗，驗證了自適應攔截網(wǎng)的原理設(shè)計和工程設(shè)計的可靠性和有效性。采用AQWA水動力計算軟件，對自適應攔截網(wǎng)防撞裝置開展全尺寸水動力計算分析，計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了定性和定量的比較與分析，兩者一致性很好，表明AQWA可以為自適應攔截網(wǎng)防撞裝置的優(yōu)化設(shè)計提供幫助。

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Impact tests and hydrodynamic analysis of an adaptive arresting net crashworthy device for protecting piers against ship collisions

WANG Beiqiao, CHEN Tao, YANG Liming, LIU Jun, DONG Xinlong, ZHOU Fenghua, WANG Yonggang

(Key Laboratory of Impact and Safety Engineering of Ministry of Education of China, Ningbo University, Ningbo 315211,China)

U443.26

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.010

1005-9865(2017)01-0090-07

2016-06-12

國家自然科學基金項目(11272164，11472142)；浙江省科技廳公益技術(shù)應用研究項目(2014C33010)；寧波市科技局農(nóng)業(yè)與社會發(fā)展攻關(guān)項目(2014C50081)

王貝殼(1989-)，男，山西人，碩士研究生，主要從事海洋結(jié)構(gòu)沖擊安全與防護研究。E-mail: 280778599@qq.com

王永剛(1976-)，男，江蘇人，教授，博導，主要從事海洋結(jié)構(gòu)沖擊動力學研究。E-mail: wangyonggang@nbu.edu.cn