夏 雪， 張可成， 伏耀華， 金允龍

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

深水海域非通航孔橋梁防撞數(shù)值模擬

夏 雪， 張可成， 伏耀華， 金允龍

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

結(jié)合深水海域橋梁的防撞研究特點(diǎn)，依據(jù)橋區(qū)環(huán)境特點(diǎn)及非通航孔的防撞要求，有針對(duì)性地提出適合深水海域橋梁的防撞方案，考慮采用小水線面浮式攔截系泊體系來(lái)保護(hù)大橋的非通航孔橋墩。該防撞體系具有更好的耐波性和對(duì)惡劣海況的適應(yīng)性，采用數(shù)值模擬計(jì)算與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析深水海域橋梁的防撞問(wèn)題，分析體系的環(huán)境適應(yīng)性，并研究該體系在船舶撞擊下的有效性。通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可確保深水海域橋梁非通航孔防撞方案設(shè)計(jì)的可行性，為在實(shí)際工程中應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備。

深水海域；非通航孔橋墩；浮式攔截體系；數(shù)值模擬；物模試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各地區(qū)間聯(lián)系的日趨緊密，建設(shè)深水海域超大型橋梁的需求日趨迫切。深水海域的橋梁通常會(huì)與海上航道交錯(cuò)，由于橋位所處的海域較為寬闊，航道水深較深，航經(jīng)該海域的船舶航速較高、噸位較大，且針對(duì)超大型船舶撞擊橋梁?jiǎn)栴}的研究尚處于起始階段，因此目前的研究大多選取排水量在10萬(wàn)t以下的通航船舶作為撞擊船。深水海域橋梁非通航孔橋的范圍較大，一旦發(fā)生船撞橋事故，將造成將難以估量的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)深水橋梁遭受船舶撞擊的問(wèn)題進(jìn)行研究尤為重要。

以正在規(guī)劃的某深水海域橋梁為研究對(duì)象，充分結(jié)合深水海域橋梁的防撞研究特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出適合深水海域橋梁的防撞方案。根據(jù)前期船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，由于船舶流量較高，非通航孔遭受撞擊的風(fēng)險(xiǎn)較高，故采用小水線面浮式攔截系泊體系的方案來(lái)保護(hù)非通航孔橋墩。為驗(yàn)證防撞系統(tǒng)的設(shè)防效果，對(duì)防撞系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模，并分析在設(shè)防工況下的船舶撞擊性能?；陲@示瞬態(tài)非線性有限元分析技術(shù)，利用MSC-Dytran仿真計(jì)算一艘10萬(wàn)噸級(jí)散貨船以3 m/s的速度撞擊小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)的過(guò)程，并進(jìn)行物模試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 防撞方案——小水線面浮式攔截系泊體系

小水線面浮式攔截系泊體系設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是利用柔性攔截的方式對(duì)大型船舶進(jìn)行攔截，用增加緩沖的空間來(lái)?yè)Q取船舶撞擊作用的時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)橋梁的目的。由于深水海域橋梁有其特殊性，現(xiàn)有的柔性攔截設(shè)施難以適用，需進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，以滿足深水海域橋梁防撞的需求。該方案為新型小水線面雙體浮式結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)構(gòu)想，由攔截平臺(tái)、攔截索、攔截錨鏈、浮子、躺鏈、錨碇沉塊和振蕩阻尼沉塊等組成，每個(gè)攔截平臺(tái)作為一個(gè)攔截單元，多個(gè)單元水平間隔布置于海平面上，且通過(guò)攔截索及攔截錨鏈相連接形成攔截體系，攔截索及攔截錨鏈上穿設(shè)有浮子，為攔截錨鏈提供浮力。該方案可根據(jù)實(shí)際設(shè)防需要靈活布置。設(shè)施示意見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)立面布置圖

圖2 小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)平面布置圖

該體系由浮體與錨鏈、攔截繩(超高分子量聚乙烯纜繩)相互連接而成，浮于水面之上，當(dāng)船舶撞擊浮體或攔截繩時(shí)，浮體與浮體之間的攔截繩可阻攔失控船舶，船舶和浮體一起移動(dòng)，而浮體拖著錨碇和沉塊，使錨碇和沉塊在水底移動(dòng)一定距離，錨碇和沉塊在水底泥土中的移動(dòng)可產(chǎn)生很大的摩擦力，用于吸收船舶巨大的動(dòng)能。

浮體采用半潛平臺(tái)，2個(gè)平臺(tái)中心線間距為500 m，2個(gè)半潛平臺(tái)由3根攔截繩連接，中間均等設(shè)置3個(gè)浮筒。每個(gè)浮體上設(shè)有12根系泊錨鏈，每條系泊線末端都配有消能錨塊。整個(gè)攔截系統(tǒng)為柔性體系，為減小浮體在環(huán)境載荷下的運(yùn)動(dòng)及偏蕩距離，在懸鏈線距離錨碇末端位置增加2個(gè)沉塊，可有效改善浮體的偏蕩距離。10萬(wàn)噸級(jí)散貨船有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 10萬(wàn)噸級(jí)散貨船有限元模型

小水線面浮體平臺(tái)有限元模型見(jiàn)圖4，由2個(gè)浮體、立柱、橫撐和平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)組成。2個(gè)浮體為整個(gè)平臺(tái)提供浮力，在運(yùn)行狀態(tài)下，立柱中間部分與海平面齊平，立柱之間設(shè)有橫撐，平臺(tái)主體固定于立柱上，構(gòu)成小水線面雙體浮式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效減小風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，且球鼻艏可在船舶撞擊時(shí)卡入2個(gè)浮體之間，有效適應(yīng)船舶的球鼻艏，避免滑落，從而有效發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)防性能。

圖4 小水線面浮體平臺(tái)有限元模型

平臺(tái)主體的頂部設(shè)有止鏈器及錨鏈孔，與躺鏈的固定端連接。躺鏈的自由端鋪設(shè)于海底，設(shè)有錨碇沉塊，為系統(tǒng)提供抓力，保證平臺(tái)的穩(wěn)定，當(dāng)船舶撞擊時(shí)，通過(guò)錨碇沉塊的拖動(dòng)提供足夠的載荷對(duì)船舶實(shí)施攔截，吸收船舶撞擊的能量。振蕩阻尼懸浮在水中，為平臺(tái)提供緩沖消能的阻尼，從而有效抵抗環(huán)境載荷，減小風(fēng)、浪作用下平臺(tái)的響應(yīng)幅值，同時(shí)在船舶撞擊時(shí)通過(guò)改變勢(shì)能吸收提供初期能量，提高系統(tǒng)的使用壽命。

2 有限元模型

撞擊船計(jì)算模型由船體后半段的剛性板單元和艏部可變形的彈塑性板單元組成。對(duì)于碰撞區(qū)內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型給出了比較精細(xì)的描述；對(duì)于遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)，由于在碰撞中基本上不發(fā)生變形，因此為減小模型規(guī)模，提高計(jì)算效率，將其簡(jiǎn)化為由船體外板和甲板組成的剛性模型，艏部和后半段中間采用過(guò)渡單元連接。小水線面浮體平臺(tái)計(jì)算模型由彈塑性板單元組成。小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)攔截船舶有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)攔截船舶有限元模型

3 防撞計(jì)算工況

防撞船型考慮10萬(wàn)噸級(jí)散貨船在滿載高水位條件下以3 m/s的速度正面撞擊小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)的情況，對(duì)10萬(wàn)噸級(jí)船舶進(jìn)行攔截效果校核計(jì)算。防撞設(shè)計(jì)工況要求在200 m內(nèi)攔截住撞擊船舶，有效保護(hù)橋梁免受撞擊。設(shè)計(jì)防撞計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)防撞計(jì)算工況

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

利用非線性動(dòng)態(tài)有限元技術(shù)可很好地仿真計(jì)算碰撞過(guò)程，較為精確地計(jì)算碰撞力，并對(duì)防撞系統(tǒng)的效能進(jìn)行驗(yàn)證比較，從而對(duì)防撞裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。10萬(wàn)噸級(jí)散貨船以3 m/s的速度正撞小水線面浮式攔截系泊系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6～圖13。

圖6 碰撞力時(shí)程曲線

圖7 航速變化曲線

圖8 船舶位移變化曲線

圖9 船舶吸能變化曲線

圖10 攔截索吸能變化曲線

圖11 船舶撞擊平臺(tái)時(shí)的應(yīng)力云圖

圖12 撞擊結(jié)束時(shí)整體位移圖

圖13 撞擊結(jié)束時(shí)局部位移圖

計(jì)算結(jié)果表明：10萬(wàn)噸級(jí)散貨舶在滿載狀態(tài)以3 m/s的速度正面撞擊攔截體系，船舶在前進(jìn)35 m之后速度降為零，最大碰撞力為34.5 MN,碰撞力的平均值為14 MN,船艏破損長(zhǎng)度為0.25 m，最大應(yīng)力為358 MPa，約24 s時(shí)撞擊速度降為零，攔截索水平位移約為45 m。計(jì)算結(jié)果：工況中設(shè)計(jì)的攔截距離是200 m, 說(shuō)明船舶被有效攔截，該新型防撞設(shè)施可有效保護(hù)非通航孔橋墩免受船舶撞擊；同時(shí)，艏部的破損很小，證明攔截設(shè)施可對(duì)船舶起到很好的保護(hù)作用。

5 船舶撞擊力試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)代表船型

防撞代表船型見(jiàn)表2，模型比尺λ=60，攔截系統(tǒng)及各組成部分模型和實(shí)體滿足幾何相似及重力相似準(zhǔn)則。

表2 防撞代表船型 m

5.2 防撞試驗(yàn)方案

分析整個(gè)防撞體系方案可知，雖然防撞體系的總體很長(zhǎng)，但基本單元為浮體+系泊錨鏈+消能錨碇+攔截繩。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取2個(gè)浮體間的一段作為防撞體單元，浮體間的間距為500 m。首先進(jìn)行船模的速度標(biāo)定試驗(yàn)，調(diào)節(jié)自航船模螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使船模的速度達(dá)到要求的失控撞擊速度；然后進(jìn)行船模撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)采集攔截索和系泊錨鏈?zhǔn)艿降牧Γ⒂脭z像裝置拍攝撞擊過(guò)程中船模的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。考慮到該水域海底的沖刷及淤積情況比較嚴(yán)重，試驗(yàn)時(shí)在船撞側(cè)的水池底面上鋪設(shè)相應(yīng)實(shí)體約6 m高的沙質(zhì)模擬海底狀況。船模撞擊試驗(yàn)見(jiàn)圖14。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)10萬(wàn)噸級(jí)船舶在滿載狀態(tài)下以3 m/s左右的速度正面撞擊攔截體系時(shí)，該系統(tǒng)能有效攔截阻擋住船舶。

撞擊時(shí)，消能錨碇放在沙面上，海底消能錨碇的最大移動(dòng)距離約為30 m，與船舶數(shù)值模擬計(jì)算中船舶移動(dòng)的距離35 m有較高的吻合度。船舶撞擊時(shí)系泊單根錨鏈?zhǔn)艿降淖畲罅?.9 MN,錨鏈?zhǔn)艿降目偟睦s為13 MN,與數(shù)值模擬計(jì)算的碰撞力平均值14 MN有較高的吻合度。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)物模試驗(yàn)驗(yàn)證，該防撞攔截方案對(duì)10萬(wàn)噸級(jí)散貨船在滿載工況下以3 m/s的失控速度撞擊攔截體系的攔截是有效的，船舶能被有效攔截，且與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的吻合度較高。

2)受尺度效應(yīng)及風(fēng)浪流實(shí)際模擬等因素影響，數(shù)值模擬結(jié)果與物模試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，但在可接受的范圍內(nèi)。

3)由于攔截范圍較大，小水線面平臺(tái)間的間距較大，可進(jìn)一步結(jié)合物模試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化防撞方案，即合理選擇物理模型，并用數(shù)學(xué)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在得到可信的結(jié)果之后，通過(guò)修正數(shù)學(xué)模型來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4)數(shù)模試驗(yàn)和物模試驗(yàn)驗(yàn)證了防撞設(shè)計(jì)的可行性，為防撞設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。該研究可為以后深水海域橋梁非通航孔的防撞設(shè)計(jì)積累一定的經(jīng)驗(yàn)，在目前對(duì)深水海域橋梁防撞研究尚未建立系統(tǒng)的防撞設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐的情況下是一次有益的嘗試。

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NumericalSimulationofAnti-CollisionDesignofNonNavigableSpansofDeepSeaBridge

XIAXue，ZHANGKecheng，F(xiàn)UYaohua，JINYunlong

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135， China)

The features of deep sea bridge anti-collision and the bridge environmental characteristics are taken into account. The anti-collision scheme for a deep sea bridge with small waterplane intercept floating mooring system to protect the bridge pier. This kind of new anti-collusion system has higher adaptability in the rough sea condition. The anti-collusion design is examined with both numerical simulations and physical model tests. The effectiveness and the environmental adaptability are analyzed in particular. The comparison between the results from numerical simulations and physical model tests show good agreement, meaning that the numeric method is good enough for practical engineering application.

deep sea； non navigable span； floating interception system； numerical simulation； physical model test

2017-11-28

深水海域橋梁防船撞技術(shù)研究(2014319742040)

夏 雪(1983—), 女, 遼寧本溪人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和橋梁防撞。E-mail:18916919360@163.com

1000-4653(2018)01-0084-04

U698.6

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