1、基于数值仿真的船桥碰撞工程应用摘要：本文结合武隆土坎乌江桥的实例，分析了桥墩在船舶撞击力的作用下桥墩的防撞能力。利用 MSC-Patran 程序建立仿真模型，根据实际航运现状采用不同的水位，角度，速度进行数值仿真计算，并给出不同工况作用下桥墩承受船撞力作用的仿真结果，通过对比得出桥墩能承受的最大撞击力。 关键词：数值仿真 船撞 工程应用 中图分类号：U445.6 文献标志码：A 文章编号： 引言 随着我国交通运输事业的迅猛发展，跨越内河、海湾以及海峡的桥梁大量被修建，同时随着航道等级的不断提高，船舶吨位也随之增加，导致船舶撞击桥梁墩台基础的事故屡屡发生。根据国内外船撞桥的事故统计资料显示，桥梁
2、因遭受船舶撞击而发生结构整体坍塌约占事故总数的 10，在绝大多数情况下，船舶对桥梁的撞击都会造成桥梁结构的局部或大面积的损伤。船舶对桥梁的撞击在一定程度上降低了桥梁在设计寿命期内的承载能力、耐久性，并且较大地影响了桥梁运营的安全性。如何评估桥梁受船舶撞击后的损伤以及在设计中提高桥梁的抗船撞安全性是摆在桥梁设计者和管理者面前丞待解决的问题。 随着计算机硬件技术的迅速发展，有限元技术的应用能力也在高速发展。大量实例已经证明有限元仿真技术是一种有效且可靠的分析方法。在船舶碰撞桥梁的研究中，仿真分析日益被研究者们所采用。作为一种先进的技术工具，数值仿真方法不仅能反映出碰撞过程中的一般现象和规律，而且能
3、对碰撞部位的变形和损伤进行详细地描述。有限元仿真为船桥碰撞力学问题的研究提供了新的技术手段，并很大程度上拓展了研究者的思路。 工程简介 土坎乌江大桥跨径组合为 225m 连续箱梁+（96+180+96）m 连续刚构+328m 连续箱梁，桥梁总长度为 517.5m，桥梁下部结构主墩采用双肋式柔性薄壁墩，两肋间净距 6 米，墩身横桥向宽度与主桥箱梁底板同宽，均为 11.0 米，墩身顺桥向宽度为 2 米，每肋的截面尺寸为 211.0米。每个主墩承台下设置 8 根群桩基础，桩径均为 250cm。船舶对桥墩撞击由桥墩结构抵抗，考虑桥墩的分水及美观效果在主桥墩（3 号墩和 4 号墩为对称墩）的两侧设置为圆
4、端形。 船撞击桥墩数值仿真 本文采用 MSC-Patran 软件对桥梁的 3 号、4 号主墩建立数值仿真模型。分析软件采用基于显式算法的 LS-DYNA。相撞结构物之间的碰撞作用采用接触算法来完成。根据桥梁船撞概率安全评估结果和实际船舶航运调查结果，选取最不利的碰撞工况。 2.1 计算模型 通过水位分析以及船舶的吃水深度分析，船舶撞击主要发生在桥墩部位。所以本次数值仿真主要计算主墩最高通航水位以下的部分，承台以及桩均采用实体单元进行划分，为了缩短计算时间，其他不与船舶发生直接接触的部分采用杆件单元进行模拟。 船舶模型考虑考虑到船艏在碰撞过程中的大变形、屈曲以及内部构件的自接触等力学行为，对船艏
5、结构的有限元模型作了比较精细地描述。对于远离碰撞区域地船体中后部则简化为刚体。本文通过对现场情况和当地海事部门的调研结果采用了 1500t 散货船。 2.2 计算工况 根据重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设 计指南方法和 AASHTO 方法对比得到桥梁船撞概率安全评估最不利工况。 工况 1：4 号墩（撞击角度：与桥轴法线夹角 0o 角，水位：200.35m,撞击速度：3.96m/s，撞击墩位：1500t） 。 工况 2:4 号墩（撞击角度：与桥轴法线夹角 30o 角，水位：200.35m,撞击速度：3.96m/s，撞击墩位：1500t） 。 2.3 计算结果 工况 1：4 号墩正撞（水位 200.3
6、5，1500t, 3.96m/s，远期） 撞击力时程 工况 2：4 号墩斜撞（水位 200.35，1500t, 3.96m/s, 30，远期） 撞击力时程 过对土坎乌江桥主墩对工况 1 的数值模拟分析得到：3 号、4 号主墩的最大撞击力为 14.83MN，墩顶最大位移为 29.45mm,船首最大撞深1.49m。对工况 2 的数值分析得到：3 号、4 号主墩的最大撞击力为5.68MN，墩顶最大位移为 18.65mm，船首撞深 2.76m。 结论 通过动力数值模拟与概率船撞安全评估对比，主要有以下结论： （1）3 号主墩：根据仿真分析的结果，3 号主墩远期的设防船撞力不小于 14.83MN（对应水
7、位 200.35m） ，而 3 号主墩的基础抗力分别为11MN（对应水位 183.5m） ，根据指南方法评估结果，3 号主墩在 2012 年、2022 年和 2050 年的预测通航密度下年倒塌频率分别为 4.4610-5/年、4.9010-5/年、1.0610-3/年，其船撞风险在 2022 年之前满足可接受风险，但在 2050 年其船撞风险已高于可接受风险。 （2）4 号主墩：根据仿真分析的结果，4 号主墩远期的设防船撞力不小于 14.83MN（对应水位 200.35m） ，而 4 号主墩的基础抗力为10MN（对应水位 183.5m） ，根据指南方法评估结果，4 号主墩在 2012 年、20
8、22 年和 2050 年的预测通航密度下年倒塌频率分别为 2.0710-4/年、2.2710-4/年、1.7210-3/年，其船撞风险在 2012 年其船撞风险已高于可接受风险。 参考文献 1 AASHTO 1991. Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges S. AmericanAssociation of State Highway and Transportation Officials, Washington D.C. 2 A.C.W.M.Vrouwenvelde
9、r. Design for Ship Impactaccording to Eurocode 1, Part 2.7 C. Ship Collision Analysis. 1998：123131 3 C.U.Kunz. Ship Bridge Collision in River Traffic, Analysis and Design PracticeC. Ship Collision Analysis. 1998，1321 4 黄平明，张征文. 直航路上船舶碰撞桥墩概率分析C. 第十四届全国桥梁学术会议论文集.2000：594598 5 AASHTO 1994. LRFD Bridge Design Specification and CommentaryS.American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington D.C. 6 耿波，王君杰，汪宏，郑国栋. 桥梁船撞力概率分布的随机模拟分析J. 中国公路学会论文集，2009（9）：353359
