宗莉娜，方 海，周 輝

(1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京210036；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京211816)

0 引言

船舶撞擊事故屢見不鮮，尤其對于大型的船舶和橋墩而言，在發(fā)生碰撞后會使船舶沉沒和橋墩受損，造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會安全問題[1-2]。因此，從20世紀60年代末起，相關(guān)人員就開始對船橋相撞問題開展了研究，但由于橋梁防撞涉及到多種學(xué)科，情況復(fù)雜、研究難度大。我國研究學(xué)者從20世紀90年代開始對橋梁防撞展開研究[3-5]。目前，主要通過對橋梁設(shè)置防撞措施(如鋼套箱、人工島、防護板系統(tǒng)浮動保護系統(tǒng)等)來避免或減低船舶撞擊后產(chǎn)生的撞擊力。此方法可以有效保護橋墩和船舶的安全。

近年來，大型橋梁的橋墩使用一種新型的復(fù)合材料裝置[6-9]。這種新型的防撞裝置的特點是其外壁與內(nèi)置格構(gòu)均由玻璃鋼復(fù)合材料加入聚酯纖維構(gòu)成，內(nèi)部填充一定數(shù)量的聚氨酯泡沫。在船舶撞擊時，主要通過內(nèi)部填充的聚氨酯泡沫壓縮變形耗能，達到減小船舶撞擊力的效果。本文擬采用試驗及有限元方法對格構(gòu)增強復(fù)合材料橋梁防撞裝置的水平抗沖擊性能進行研究。

1 復(fù)合材料防撞裝置試驗方法

1.1 構(gòu)件設(shè)計

本次水平?jīng)_擊試驗中橋墩截面尺寸0.3 m×0.5 m，高1.5 m，混凝土等級C40，縱筋為10根Φ10 mm，箍筋為Φ6 mm，箍筋間距及加密區(qū)范圍見圖1。試驗時采用剛性小車模擬船舶。小車質(zhì)量為1.5 t，每次以4.1 m/s的速度進行水平?jīng)_擊。

圖1 橋墩模型尺寸圖(單位：mm)

構(gòu)件制作流程如下：

(1)將聚氨酯泡沫發(fā)泡成型。

(2)根據(jù)構(gòu)件橫向格構(gòu)間距的設(shè)置將聚氨酯泡沫截斷。

(3)將纖維布裹在泡沫表面，并整體放置于模具中。

(4)對其表面附加一層纖維布并真空導(dǎo)入成型，成型后的構(gòu)件為半筒形。

(5)用強力膠將2個成型構(gòu)件粘結(jié)在一起，形成一個完整試件。

試件制作時復(fù)合材料防撞裝置筒壁、縱向格構(gòu)、橫向格構(gòu)均為復(fù)合材料纖維鋪層。

三維模型圖中船舶撞擊位置見圖2(a)。圖中：沿著防撞裝置軸線方向的格構(gòu)為縱向格構(gòu)，與軸線垂直方向的格構(gòu)為橫向格構(gòu)。構(gòu)件外殼面層和橫向格構(gòu)厚度為1.3 mm，縱向格構(gòu)厚度為2.6 mm。構(gòu)件的具體尺寸參數(shù)見圖2(b)。為了增加參數(shù)變化，多角度考慮耗能影響因素，試驗構(gòu)件制作了2種格構(gòu)間距，分別為90、270 mm，用AC-90和AC-270表示，便于研究格構(gòu)間距對防撞裝置吸能大小的影響。

圖2 橋梁防撞裝置模型及外形尺寸(單位：mm)

根據(jù)調(diào)查資料及數(shù)據(jù)分析顯示：由于慣性影響，當(dāng)船橋碰撞時船舶會與橋墩發(fā)生多次撞擊。為了更真實模擬實際情況，本次試驗增加了對構(gòu)件的2次撞擊。AC-270-1、AC-270-2分別表示對構(gòu)件的第1、第2次沖擊。

1.2 試驗方法

橋墩頂部用千斤頂提供豎向荷載，以模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)對橋墩的豎向荷載作用；精確提升落錘高度，以確保小車沖擊速度。小車在獲得沖擊速度后沿著軌道滑行撞擊橋墩及防撞裝置。

2 復(fù)合材料防撞裝置試驗過程

各試件在經(jīng)歷第1次沖擊后，均顯示出較輕微受損，防撞裝置變形量均相對不大。第2次撞擊后，防撞裝置破壞嚴重。其中：防撞裝置AC-90的破壞表現(xiàn)除縱向格構(gòu)與筒壁處撕裂外，另有大范圍的縱向格構(gòu)本身撕裂分層；AC-270則表現(xiàn)出了縱向格構(gòu)與筒壁處撕裂及小范圍的縱向格構(gòu)撕裂分層，縱向格構(gòu)粘結(jié)處未出現(xiàn)整體開裂。由此可見：橫向格構(gòu)在防撞裝置受沖擊時，與縱向格構(gòu)形成垂直支撐；當(dāng)橫向格構(gòu)間距過密時，縱向格構(gòu)在沖擊時受壓變形受阻，出現(xiàn)了撕裂分層現(xiàn)象。

3 復(fù)合材料防撞裝置試驗分析

3.1 時程曲線

試驗中各試件水平撞擊力時程曲線及撞擊點處的位移時程曲線見圖3～圖5。圖5中“N-AC”表示試件無防撞裝置。

圖3 AC-270水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

圖4 AC-90水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

圖5 N-AC水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

3.2 水平撞擊力峰值

試驗中各試件水平撞擊力峰值見表1。無防撞裝置時，撞擊力峰值為364.15 kN。首次沖擊時， AC-270和AC-90撞擊力峰值分別為247.54、310.14 kN，比無防撞裝置時分別降低了32.0%和14.8%。第2次沖擊時，AC-270和AC-90撞擊力峰值分別為194.85、235.93 kN，較無防撞裝置時分別降低46.5%和35.2%，較首次沖擊時分別降低21.3%和23.9%。因此，在設(shè)置防撞裝置后，能有效地降低船舶撞擊時所產(chǎn)生的撞擊力峰值。

復(fù)合材料防撞裝置在第1次沖擊時表現(xiàn)出一定的剛性，防撞裝置的變形較小，只是局部破損，并未發(fā)生整體破壞。發(fā)生第2次碰撞后，防撞裝置被壓潰，通過自身的變形吸收耗散了大部分能量，進一步降低了撞擊力峰值?？梢?，此種復(fù)合材料防撞裝置對降低船舶撞擊力峰值有明顯的效果，達到保護橋墩和船舶的作用。

表1 水平撞擊力峰值

3.3 橋墩位移分析

試驗中橋墩沖擊點處的位移見表2。無防撞裝置時，橋墩沖擊點處位移為10.1 mm。在第1次沖擊時， AC-270和AC-90橋墩沖擊點處位移分別為8.6、9.4 mm，比無防撞裝置時降低了14.9%和6.9%。第2次沖擊時，AC-270和AC-90橋墩沖擊點處位移分別為5.6、6.8 mm，較無防撞裝置時降低44.6%和32.7%。所以，設(shè)置防撞裝置能有效地降低船舶撞擊時所產(chǎn)生的位移。

表2 橋墩沖擊點處位移

試驗中對混凝土動力響應(yīng)進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)混凝土橋墩模型在整體試驗過程中未出現(xiàn)明顯裂縫，可認為混凝土橋墩處于彈性工作范圍。

4 復(fù)合材料防撞裝置有限元分析

本文采用有限元軟件LS-DYNA模擬船舶水平?jīng)_擊橋墩的過程，分析復(fù)合材料防撞裝置在受到水平?jīng)_擊后泡沫、格構(gòu)及外殼的力學(xué)響應(yīng)。

4.1 有限元仿真模型建立

目前橋墩多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受力后的性能復(fù)雜[10]。數(shù)值模擬時，準(zhǔn)確定義混凝土模型非常重要?，F(xiàn)階段常用的混凝土模型有：以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的模型，以塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的模型、塑性斷裂模型、損傷力學(xué)模型等。不同的混凝土模型表現(xiàn)出不同的特點，應(yīng)用范圍也不同。本文選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC[11]模型來模擬混凝土材料。混凝土單元采用SOLID164。復(fù)合材料采用線彈性材料模型，其單元采用薄殼單元SHELL163。FRP筒壁和格構(gòu)因采用殼單元，并未增加實體，通過定義殼單元的厚度來模擬格構(gòu)厚度和壁厚。防撞裝置在迎撞面將每個線單元長度劃分為10 mm，除了迎撞面外線單元劃分長度為10 mm。有限元模型見圖6。

圖6 幾何建模及劃分

用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型來模擬聚氨酯泡沫，參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》和GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)對聚氨酯泡沫進行材料試驗，得出抗壓強度、應(yīng)力應(yīng)變失效值、彈性模量及變異系數(shù)。通過*DEFINE_CURVE給模型定義應(yīng)力應(yīng)變曲線，并添加“MAT_ADD_EROSION”來定義聚氨酯泡沫的失效。聚氨酯泡沫也采用SOLID164單元。泡沫和復(fù)合材料層接觸為面面自動接觸(ASTS)，靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)均取0.1。為了實現(xiàn)第2次撞擊是在第1次撞擊產(chǎn)生變形后進行的，在第1次計算時生成能夠進行重啟動計算的文件d3dump01；在第2次加載時，同時提交第2次K文件及第1次計算生成的d3dump01。

4.2 有限元仿真數(shù)值分析

建立有限元模型進行數(shù)值模擬，得出AC-270及AC-90有限元模擬水平?jīng)_擊撞擊力時程曲線，并將其與試驗曲線進行對比，具體見圖7、圖8。

圖7 AC-270水平?jīng)_擊有限元和試驗荷載時程曲線對比

圖8 AC-90水平?jīng)_擊有限元和試驗荷載時程曲線對比

從圖中可以看出，2組試件的有限元撞擊力時程曲線與試驗曲線趨勢基本相似，撞擊力的峰值比較接近，兩者誤差控制在15%以內(nèi)，吻合度較好，具體的撞擊力峰值數(shù)值對比見表3。防撞裝置的應(yīng)力云圖見圖9。從圖中可見，防撞裝置被撞擊區(qū)域應(yīng)力集中，變形也較大。

表3 水平?jīng)_擊撞擊力峰值試驗值與有限元值

圖9 防撞裝置的應(yīng)力云圖

圖10為有限元模擬時試件破壞形態(tài)與試驗時試件破壞形式。從形態(tài)上破壞形式基本一致，均表現(xiàn)為外層復(fù)合材料纖維斷裂破壞，內(nèi)部聚氨酯泡沫達到屈服強度被壓潰。

圖10 有限元模擬與試驗試件破壞情況對比

5 結(jié)論

本文對格構(gòu)增強復(fù)合材料防撞裝置進行了水平?jīng)_擊試驗及有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)格構(gòu)增強復(fù)合材料防撞裝置能有效減弱沖擊過程中的撞擊力峰值。格構(gòu)間距為270、90 mm時，水平?jīng)_擊的撞擊力峰值比無防撞裝置時分別降低32.0%和14.8%；第2次沖擊時較無防撞裝置時分別降低46.5%和35.2%。 (2)格構(gòu)增強復(fù)合材料防撞裝置能減小沖擊過程中橋墩位移。格構(gòu)間距為270、90 mm時，第1次沖擊時最大位移較無防撞裝置分別降低了14.5%和6.9%；第2次沖擊時較無防撞裝置時分別降低了44.6%和32.7%。

(3)有限元模擬中防撞裝置格構(gòu)及筒壁接觸的泡沫首先被破壞。隨著變形量加大，格構(gòu)發(fā)生屈曲繼而彎折，泡沫達到屈服強度后破壞，試件整體失去承載能力。泡沫在沖擊過程中起到約束縱橫向格構(gòu)屈曲變形的作用，并隨著格構(gòu)變形而變形。

(4)有限元模擬時的破壞形態(tài)與試驗中的破壞形態(tài)基本一致，并且撞擊力時程曲線趨勢也基本一致，撞擊力峰值的誤差也較小。