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摘要：本文针对株洲红港大桥桥墩的特点，对其桥墩防撞设施进行了设计，同时通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算，研究了桥墩和防撞设施的防撞性能，验证了所设计的防撞设施的可行性。
关键词：船桥碰撞；防撞设施；仿真分析
Abstract: this paper red bridge piers zhuzhou the characteristics of port, the crash on the pier facilities design, and at the same time through ANSYS/ls-dyna software to the ship collided bridge whole process simulation calculation, the crash of the piers and facilities jingzhunan can demonstrate the feasibility of the design of the bull facilities.
Key words: the ship collision bridge; Bull facilities; The simulation analysis
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0引言
近几年来，桥梁被船舶撞击的事故逐年增加，每次撞击事故都造成了不同程度的财产损失、人员伤亡以及环境破坏，船桥碰撞方面的研究尤其是桥墩防撞设施的研究受到越来越多研究者的关注。目前船桥碰撞的研究主要集中在船桥相撞过程中构件的损伤机制和能量吸收特性及桥梁防船撞措施的有效性和可行性两方面[1,2,3]。
船舶与桥墩防撞设施的碰撞是两者之间在极短的时间内相互作用的一个复杂的非线性动态响应的过程。碰撞过程中存在颇多无法确定的因素，难以建立一个精确的数学模型去完全地解析两者的碰撞问题。因此，随着非线性有限元技术日趋成熟以及计算机硬件水平逐步提高，对碰撞的过程进行数值仿真分析越来越成为解决船桥碰撞相关问题的有效方法。
1红港大桥桥墩防撞设施的选型及设计
株洲市红港大桥主跨跨径为90m + 150m +90m，横断面为双幅单箱单室截面的三跨一联V形墩拱梁刚构组合体系桥。红港大桥主桥两主墩均为半径为R=100m的曲线V撑，V撑为变截面实体截面。承台高5m，桥墩基础每侧为4根直径为220cm的嵌岩桩基础。
图1.1主墩一般构造
红港大桥位于湘江流域株洲段，桥位处航道可通航1000t级船舶，属于内河三级航道。此流域段不同季节里水位落差可达十来米，主墩处通航净宽有限制，主墩又为变截面，并且建防撞设施的费用有限，考虑到上述这些因素，此桥的防撞设施设计为浮式变截面消能防撞设施是最合适的[1,4]。
本文为红港大桥的其中一幅桥主墩设计的浮式消能变截面防撞设施长为16m，宽为15m，深为4m，主体结构类似于钢箱结构，外围钢结构宽度为1.2m，内围钢结构宽度为0.5m，主要钢板材厚度为1cm，钢结构块件之间由粗弹簧连接。在钢箱内侧安装有橡胶护舷，橡胶护舷长为1 m，宽为0.3 m，高为0.5 m，厚0.02m，橡胶护舷主要起缓冲作用, 可以吸收较多的能量，并且，靠近承台部分的橡胶护舷上涂上减小摩擦力的润滑物。
图1.2防撞结构布置的俯视图
2 有限元模型
1 模型的建立
本文的研究主要对象是防撞设施,为了节省仿真分析的计算时间,对撞击船作了简化，用考虑带附带水质量的船首为球形的质量块来模拟船体。碰撞的过程中，船体和防撞设施系统都用壳单元模拟，材料为随动强化的塑性材料模型[5]；承台是由钢筋混凝土材料构成的，计算模型采用实体单元来表示混凝土构件，钢筋用梁单元来模拟，承台的混凝土材料选用Colorado 帽盖模型[6] ，钢筋采用理想弹塑性材料模型；橡胶护舷用壳单元来进行模拟，材料采用Mooney-Rivlin的本构模型；桥桩用实体单元来模拟，混凝土材料也采用理想弹塑性材料；粗弹簧用梁单元来模拟，材料为线弹性弹簧模型。有限元仿真碰撞模型，见图2.1。
图2.1有限元防真碰撞模型
2 数值仿真的结果及分析
本文为了简化数值仿真计算模型，仅考虑浮式变截面防撞设施在承台水位处的船桥相撞情况。本文算例是1000t的船舶以4m/s的速度与承台的正面直角相撞，以及与带防撞设施的承台的正面直角相撞。
2.1 撞击力的比较
图2.2 无防撞设施时承台撞击力时程曲线
图2.3 有防撞设施时承台撞击力时程曲线
图2.2，图2.3，分别是无防撞设施时，有防撞设施时，承台的撞击力时程曲线，从图中可看出，无防撞设施的构件，承台承受到的最大撞击力为10.2MN,有防撞设施的构件，撞击力曲线有极强的非线性特征，在撞击过程的不同阶段,船舶与防撞设施之间的撞击力伴随着防撞设施构件的不断失效和破坏造成了不同程度的跳跃现象，承台承受到的最大撞击力为4.7MN,比无防撞设施的构件时所受到的最大撞击力小了将近54%，从降低最大撞击力的角度看，这说明有防撞设施的构件明显优于无防撞设施的构件。
2.2构件损伤比较
(1)承台变形比较
无防撞设施时 有防撞设施时
图2.4承台结构变形图
从图2.4可知，有防撞设施的构件与无防撞设施的构件在受到船的撞击时相比，承台的变形分布的范围稍大一些，变形也稍小一些，那是因为防撞设施起到缓冲作用，并且把碰撞效应扩散开了，不过由于承台部位是该桥V型墩结构中刚度较强的部位，在无防撞设施时，承台损伤也不算很大，在承台处的变形情况无法体现出防撞设施的明显优势，但是考虑到如果选用其它刚度相对小的部位来进行建模，就会加大建模的工作量，可能会导致数值仿真计算的时间过长，因此本文还是选用的承台处水位来进行仿真分析。
(2)船体变形比较
无防撞设施时 有防撞设施时
图2.5船体结构变形图
从图2.5可以看出，在碰撞过程中，无防撞设施时船体的受损程度远远大于有防撞设施时船体的受损程度，无防撞设施的船体经过碰撞后几乎完全破损，极难修复好了，而有防撞设施的船体经过碰撞后损伤并不很大，小修一下，就能重新起用了，从这可知，防撞设施对船体的保护作用是明显的。
3结论
采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了1000t船舶正撞桥墩及带有防撞设施的桥墩模型，通过仿真分析得出以下结论：
（1）采用显式瞬态非线性有限元分析技术成功地仿真模拟了船桥直角正面碰撞的全过程，这是解析法和实验方法很难实现的。
（2）经过仿真分析与比较可知，有防撞设施时承台所受到的撞击力比无防撞设施时承台所受的撞击力要小。在整个撞击过程中，始终伴随着撞击船体构件的不断失效和破坏造成的卸载现象，船桥撞击力曲线有极强的非线性特征及波动性。
（3）撞击过程中，碰撞能量主要被防撞设施和撞击船体以变形能的形式吸收。
（4）通过仿真分析可知，本文中所设计的防撞设施在实际应用中具有的一定的可行性。
参考文献：
[1]杨柯.船桥碰撞理论及桥墩防护装置的研究:[长沙理工大学硕士论文].长沙:长沙理工大学，2010.
[2] 叶贵如，张治成，黄翔，茅兆祥.桥墩防船撞消能器动力性能的数值仿真分析[J].中國公路学报，2004（3），68-73.
[3]潘晋.船桥碰撞机理及桥墩防护装置研究:[武汉理工大学硕士论文].武汉:武汉理工大学，2003.
[4]桥梁及防撞设施数值模拟分析：[同济大学硕士论文]，上海:同济大学，2005.
[5]罗琳.船桥碰撞理论及猎德大桥防撞装置的性能研究:[长沙理工大学硕士论文].长沙:长沙理工大学，2008.
[6]刘建成，顾永宁.基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真.工程力学,2003，20(5):155-162.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：船桥碰撞；防撞设施；仿真分析
Abstract: this paper red bridge piers zhuzhou the characteristics of port, the crash on the pier facilities design, and at the same time through ANSYS/ls-dyna software to the ship collided bridge whole process simulation calculation, the crash of the piers and facilities jingzhunan can demonstrate the feasibility of the design of the bull facilities.
Key words: the ship collision bridge; Bull facilities; The simulation analysis
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0引言
近几年来，桥梁被船舶撞击的事故逐年增加，每次撞击事故都造成了不同程度的财产损失、人员伤亡以及环境破坏，船桥碰撞方面的研究尤其是桥墩防撞设施的研究受到越来越多研究者的关注。目前船桥碰撞的研究主要集中在船桥相撞过程中构件的损伤机制和能量吸收特性及桥梁防船撞措施的有效性和可行性两方面[1,2,3]。
船舶与桥墩防撞设施的碰撞是两者之间在极短的时间内相互作用的一个复杂的非线性动态响应的过程。碰撞过程中存在颇多无法确定的因素，难以建立一个精确的数学模型去完全地解析两者的碰撞问题。因此，随着非线性有限元技术日趋成熟以及计算机硬件水平逐步提高，对碰撞的过程进行数值仿真分析越来越成为解决船桥碰撞相关问题的有效方法。
1红港大桥桥墩防撞设施的选型及设计
株洲市红港大桥主跨跨径为90m + 150m +90m，横断面为双幅单箱单室截面的三跨一联V形墩拱梁刚构组合体系桥。红港大桥主桥两主墩均为半径为R=100m的曲线V撑，V撑为变截面实体截面。承台高5m，桥墩基础每侧为4根直径为220cm的嵌岩桩基础。
图1.1主墩一般构造
红港大桥位于湘江流域株洲段，桥位处航道可通航1000t级船舶，属于内河三级航道。此流域段不同季节里水位落差可达十来米，主墩处通航净宽有限制，主墩又为变截面，并且建防撞设施的费用有限，考虑到上述这些因素，此桥的防撞设施设计为浮式变截面消能防撞设施是最合适的[1,4]。
本文为红港大桥的其中一幅桥主墩设计的浮式消能变截面防撞设施长为16m，宽为15m，深为4m，主体结构类似于钢箱结构，外围钢结构宽度为1.2m，内围钢结构宽度为0.5m，主要钢板材厚度为1cm，钢结构块件之间由粗弹簧连接。在钢箱内侧安装有橡胶护舷，橡胶护舷长为1 m，宽为0.3 m，高为0.5 m，厚0.02m，橡胶护舷主要起缓冲作用, 可以吸收较多的能量，并且，靠近承台部分的橡胶护舷上涂上减小摩擦力的润滑物。
图1.2防撞结构布置的俯视图
2 有限元模型
1 模型的建立
本文的研究主要对象是防撞设施,为了节省仿真分析的计算时间,对撞击船作了简化，用考虑带附带水质量的船首为球形的质量块来模拟船体。碰撞的过程中，船体和防撞设施系统都用壳单元模拟，材料为随动强化的塑性材料模型[5]；承台是由钢筋混凝土材料构成的，计算模型采用实体单元来表示混凝土构件，钢筋用梁单元来模拟，承台的混凝土材料选用Colorado 帽盖模型[6] ，钢筋采用理想弹塑性材料模型；橡胶护舷用壳单元来进行模拟，材料采用Mooney-Rivlin的本构模型；桥桩用实体单元来模拟，混凝土材料也采用理想弹塑性材料；粗弹簧用梁单元来模拟，材料为线弹性弹簧模型。有限元仿真碰撞模型，见图2.1。
图2.1有限元防真碰撞模型
2 数值仿真的结果及分析
本文为了简化数值仿真计算模型，仅考虑浮式变截面防撞设施在承台水位处的船桥相撞情况。本文算例是1000t的船舶以4m/s的速度与承台的正面直角相撞，以及与带防撞设施的承台的正面直角相撞。
2.1 撞击力的比较
图2.2 无防撞设施时承台撞击力时程曲线
图2.3 有防撞设施时承台撞击力时程曲线
图2.2，图2.3，分别是无防撞设施时，有防撞设施时，承台的撞击力时程曲线，从图中可看出，无防撞设施的构件，承台承受到的最大撞击力为10.2MN,有防撞设施的构件，撞击力曲线有极强的非线性特征，在撞击过程的不同阶段,船舶与防撞设施之间的撞击力伴随着防撞设施构件的不断失效和破坏造成了不同程度的跳跃现象，承台承受到的最大撞击力为4.7MN,比无防撞设施的构件时所受到的最大撞击力小了将近54%，从降低最大撞击力的角度看，这说明有防撞设施的构件明显优于无防撞设施的构件。
2.2构件损伤比较
(1)承台变形比较
无防撞设施时 有防撞设施时
图2.4承台结构变形图
从图2.4可知，有防撞设施的构件与无防撞设施的构件在受到船的撞击时相比，承台的变形分布的范围稍大一些，变形也稍小一些，那是因为防撞设施起到缓冲作用，并且把碰撞效应扩散开了，不过由于承台部位是该桥V型墩结构中刚度较强的部位，在无防撞设施时，承台损伤也不算很大，在承台处的变形情况无法体现出防撞设施的明显优势，但是考虑到如果选用其它刚度相对小的部位来进行建模，就会加大建模的工作量，可能会导致数值仿真计算的时间过长，因此本文还是选用的承台处水位来进行仿真分析。
(2)船体变形比较
无防撞设施时 有防撞设施时
图2.5船体结构变形图
从图2.5可以看出，在碰撞过程中，无防撞设施时船体的受损程度远远大于有防撞设施时船体的受损程度，无防撞设施的船体经过碰撞后几乎完全破损，极难修复好了，而有防撞设施的船体经过碰撞后损伤并不很大，小修一下，就能重新起用了，从这可知，防撞设施对船体的保护作用是明显的。
3结论
采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了1000t船舶正撞桥墩及带有防撞设施的桥墩模型，通过仿真分析得出以下结论：
（1）采用显式瞬态非线性有限元分析技术成功地仿真模拟了船桥直角正面碰撞的全过程，这是解析法和实验方法很难实现的。
（2）经过仿真分析与比较可知，有防撞设施时承台所受到的撞击力比无防撞设施时承台所受的撞击力要小。在整个撞击过程中，始终伴随着撞击船体构件的不断失效和破坏造成的卸载现象，船桥撞击力曲线有极强的非线性特征及波动性。
（3）撞击过程中，碰撞能量主要被防撞设施和撞击船体以变形能的形式吸收。
（4）通过仿真分析可知，本文中所设计的防撞设施在实际应用中具有的一定的可行性。
参考文献：
[1]杨柯.船桥碰撞理论及桥墩防护装置的研究:[长沙理工大学硕士论文].长沙:长沙理工大学，2010.
[2] 叶贵如，张治成，黄翔，茅兆祥.桥墩防船撞消能器动力性能的数值仿真分析[J].中國公路学报，2004（3），68-73.
[3]潘晋.船桥碰撞机理及桥墩防护装置研究:[武汉理工大学硕士论文].武汉:武汉理工大学，2003.
[4]桥梁及防撞设施数值模拟分析：[同济大学硕士论文]，上海:同济大学，2005.
[5]罗琳.船桥碰撞理论及猎德大桥防撞装置的性能研究:[长沙理工大学硕士论文].长沙:长沙理工大学，2008.
[6]刘建成，顾永宁.基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真.工程力学,2003，20(5):155-162.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。