船舶撞击桥梁上部结构数值仿真研究

摘要：近年来船桥碰撞事故的频繁发生引起了人们的密切关注，本文基于400TWD级散装货轮撞击广东省某桥上部结构的事件，运用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA建立船舶与桥梁上部结构的有限元模型，对整个撞击过程进行了数值仿真计算，得到了船舶撞击力、行驶速度、能量、砼应力应变的时程曲线。通过砼的仿真结果与实际损伤面积的比较，证实了仿真的可行性，该方法对于遭受撞击作用下的桥梁结构的安全性评估具有一定的指导意义。

关键词：船桥碰撞；数值仿真；上部结构；撞击力

中图分类号: F407.474 文献标识码：A

桥梁作为连接水路两岸的纽带，在人们的生活与工作中发挥了极大的作用。然而，对于航道中的船舶来讲，桥梁却是一种障碍物。特别是在雨季，随着降水量的增多、水位急剧上涨，航道中的船舶往往因操作不当及其他原因而撞上桥梁结构。近些年来，随着我国船海事业的蓬勃发展，船桥碰撞的事故是屡见不鲜。就处于长江流域的武汉长江大桥，自1957年建成以来发生了70余起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万元的事故就超过10多起[1]。典型的例子是2007年，一运沙船与广东佛山九江大桥相撞，导致200多米桥面坍塌，多人失踪[2]。由此可见，船桥相撞是一种严重的安全事故问题，轻者造成船舶、桥梁结构及功能性损伤，使用寿命减少，重者则造成人员伤亡、重大经济损失、甚至环境污染等恶劣影响。

自20世纪六七十年代起，国内外学者对船桥碰撞问题进行了广泛的研究和试验，并取得了许多研究成果。然而，纵观国内外的研究成果及研究重心，大多都集中在船舶撞击桥梁下部结构――桥墩上面。而对由于对航道水位判断失误或操作不当等原因导致的桥梁上部结构遭到船舶撞击的事件却鲜有人关注与研究。因此，为了减少由桥梁上部结构遭受船舶撞击带来的巨大损失，开展船舶撞击桥梁上部结方面的研究显得尤有必要。

1船-桥事故

广东省某桥建成于1984年，桥梁全长164m，桥跨组合为8×20米+1×4米，上部结构为20 m普通钢筋混凝土T梁+4m钢筋混凝土实心板，下部构造为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，柱式桥台，支座为钢板支座。广西藤县籍400吨级钢制普通货船藤县“藤城888号”从上游往下游经过该桥第四通航孔时，货船顶部撞到了第四跨1#T梁腹板（上游侧边梁），造成1#T梁腹板严重损坏，面积7×1.1m2，撞击处纵向构造钢筋和箍筋外露；同时该T梁上锚固的自来水管也失去支撑力，处于悬空状态，存在严重安全隐患。桥梁T梁损坏状况见图1、2。

图1桥梁T梁开裂

图2 桥梁T梁砼破损

2 船舶模型

2.1 船舶模型简化

船舶额定载重量为400吨级的散装货轮，船体几何尺寸长26m，宽4.5m，高2.2m。船上甲板室长3.0m，宽3.0m，高4.0m。船舶整体材料采用钢材，材质采用低碳钢。由于本文主要研究船舶甲板室撞击桥梁上部结构时的桥梁动态响应情况，船艏在整个碰撞过程中没有参与直接的碰撞接触，因此本着有利于建模的原则对船艏部分的外形以简单化处理。整个船体采用SHELL 163壳单元建立模型，关于船舶载重量的部分，采用质量单元MASS166来代替船舶载重量的部分，将载重质量平均化以后施加到做选取的节点上面。这样以来可以凸显船体的质量分布的均匀性，与船体的重心位置保持一致。

在约束方面，为减少因船体在水中上下左右运动的情况带来的影响，将整艘船舶Y与Z方向的位移自由度全部约束，即只考虑船舶在X方向上的运动情况，不考虑船舶的摆动效应。

网格划分，船艏部分采用的网格尺寸较大，对于甲板室和船舱部分采用相同的尺寸进行网格划分，网格大小从100mm～300mm不等。整个船舶模型共由SHELL 163单元33239个，节点数目为28298个组成。

2.2船舶材料模型

在高能量参与的船桥碰撞中，碰撞区域构件将发生弹塑性的大变形（以塑性变形为主）和高应力。因此，船舶模型中结构材料须定义为可变形弹塑性材质，船舶材料的参数如表1-1所示。

材料的本构关系是碰撞仿真分析中的重要参数，为了真实反映材料特性，在船舶结构包括甲板室全部采用考虑了碰撞过程的材料的屈服、强化和应变率效应的线性强化弹塑性Cowper-Symonds模型[3]。

表1-1船舶材料模型参数

根据最新的试验与研究结果，当模型中的单元尺寸均大于50mm时，材料的最大失效应变34%[4]。本文中的模型尺寸均大于50mm，故钢材的失效应变定为0.34。对船用低碳钢而言，Cowper-Symonds本构方程中的2个常数取为:C=40.4，q=5。[1]

3桥梁模型

3.1 T梁模型

T梁基本的几何构造为：标准跨径20m，翼板由翼缘至根部厚度为100~130mm,腹板宽180mm，跨中设置3道横隔板，横隔板厚度为150mm。桥梁上部结构的梁端采用端部约束来代替梁间的连接，梁端约束采用节点自由度约束。

网格划分，混凝土采用SOLID 164单元进行模拟，钢筋采用BEAM 161单元。整个T梁采用统一的网格尺寸，网格大小为100mm，共划分SOLID 164单元34037个，BEAM 161单元3648个。

3.2材料模型及参数

船桥碰撞问题一种由高能量参加的冲击动力学问题，仿真结果的精确与否，材料模型的选择十分重要。为了探讨桥梁腹板砼在冲击荷载作用下的动力响应情况，在混凝土材料模型方面选取了能够考虑材料失效的H-J-C模型[5]。T梁为上世纪80年代建造，上部结构采用混凝土C40，相应的混凝土材料参数如表1-2所示。

表1-2混凝土材料参数

桥梁上部结构中钢筋采用弹塑性材料模型，钢筋组成中，主筋、架立钢筋、弯起钢筋为一级钢筋，箍筋为二级钢筋。此外，为表示混凝土与钢筋的粘结关系，本文对混凝土单元和钢筋单元采用了自动面-面接触算法，接触摩擦系数为0.3，相关的钢筋材料参数如1-3表所示。

表1-3钢筋材料参数

图3 船桥碰撞有限元模型

4 仿真计算

船桥碰撞不仅涉及能量的转换、材料的大变形、高应力，还包含其他的多种响应，如撞击力的大小、速度、能量等动力响应。本文以船舶航速3m/s、接触高度0.4m、船舶钢板厚度14mm，对船舶横桥向撞击桥梁腹板的整个过程进行了仿真计算，得到了桥梁在撞击作用下的若干响应数据。整个计算使用统一的标准单位制，KG--MM--KN--MS，计算时间1500ms。船撞桥梁上部结构的整体有限元模型如图3所示。[2]

4.1系统能量

在能量方面，系统能量主要有动能、内能、总能量、沙漏能等组成。系统开始时的总能量等于初始动能，初始动能的大小值为2.9581E+06 J，计算结束时刻的动能的大小为9.4632E+04 J。随着碰撞过程的进行，动能不断减少，转化为内能，内能不断增加，计算结束时刻的内能大小增加至2.6825E+06 J，而内能主要以系统变性能的形式存在。从图4中可以看到沙漏能在计算结束时刻的数值很小，相对于系统总能量来说，可以忽略不计，说明此次仿真计算对沙漏的控制比较合理，计算结果是可信的

。

4.2撞击力

随着船舶的行驶，逐渐与T梁的腹板发生接触碰撞，撞击力随着接触的进行呈现先增大后减小的趋势。在碰撞的开始阶段撞击力增长的十分迅速，在104ms时撞击力达到最大值约7.51MN，随后也出现一些波动，但总体的趋势是减小的，到1294ms时撞击力的大小值减小为0，详细的撞击力时程曲线如图5所示。

图4 系统能量时程曲线

图5撞击力时程变化曲线

4.3速度

随着碰撞过程的进行和能量的不断转化及损失，速度呈现逐渐减小的趋势，当碰撞过程进行到816ms时，船舶行驶速度大小值减小为0，此刻以后船舶开始反方向行驶。到计算结束时，船舶的行驶速度大小约为0.51m/s，具体的船舶行驶速度的时程变化情况如图6所示。

4.4 位移

为考察腹板节点在撞击力作用下的位移响应情况，特地选取腹板外侧在撞击高度区域的几个节点作为观测点，节点A～E依次为腹板外侧从底部往上取点，而且这5个点都位于碰撞区域的正中间。[3]

如图7所示，对于船舶甲板室与T梁的腹板间的碰撞，腹板外侧位移的变化是一致的，腹板的位移随着节点高度的增加，而呈现逐渐减少的趋势；而且距离碰撞区域越远，节点位移越小。腹板位移最大值为腹板最底部的位置，最大位移达351.24mm ，这与事故当时呈现的实际情况相一致。

图6速度时程变化曲线

图7腹板外侧节点位移时程曲线

4.5应力、应变

整个的碰撞过程大致包括初始接触、撞击力最大、速度减小为0、撞击力为0几个时刻。初始接触时，由于刚刚接触不久，应力值极剧增大，碰撞区域的应力值大多在25～45Mpa左右，碰撞区域梁体尚未损坏。随着船舶与腹板的持续性接触与碰撞，砼应力呈现明显的增长趋势，并达到最大值88.75Mpa，且绝大部分的应力值也介于40～70Mpa 之间，处于碰撞区域的砼应力已大于砼抗压强度，应力最大时的云图如图8所示。

随着碰撞的持续进行, 混凝土的塑性应变在不断增大，碰撞区域的混凝土的应变值逐渐大于压碎初始应变,混凝土处于局部破损阶段。最后伴随着船舶的反方向行驶，甲板室与腹板的分离，碰撞效应开始减弱, 但是材料的塑性应变量是一个累计的过程，部分混凝土的应变值仍停留在较大值上，因此造成该部分混凝土的永久变形，梁体砼的最终应变云图如图9所示。

图8 撞击力最大时应力云图

图9 梁体最终应变云图

4.6砼损伤面积比较

图10为T梁腹板在1500ms时的砼损伤情况，从图上可以看出高应力、大应变区域主要集中在船舶甲板室正面撞击的区域，高应力区域的面积约为6.72×1.25m2，而该桥当时实际的损伤面积约为7×1.1m2，如图11所示。由此可以看出此次的仿真结果比较接近于实际情况，基本满足了实际的工程需要。此外，从损伤云图上面可以看到损伤的主要区域位于横隔板的左右，这也与实际相符合，主要是由于腹板砼在短时间内遭受巨大横桥向冲击力作用下，该区域砼受到横隔板的约束作用，应力扩散受到阻碍，产生应力集中，致使该区域内的砼应力应变过大超过材料本身的允许值而遭到破坏。

图101500ms时的混凝土损伤

图11 T梁腹板混凝土损伤

5 结论

本文通过建立与实际相符合的有限元模型，对船舶撞击桥梁上部结构的整个过程进行了数值仿真，得到了以下结论：

（1）船桥碰撞是由高能量参与的动力学问题，撞击力在较短的时间内急剧增加而达到最大值；碰撞中系统的动能不断减小并转化为系统的内能（变性能）；处于撞击区域的腹板底部在横桥向冲击荷载作用下位移最大；船速随着动能的变化逐渐减小，随后反向行驶。[4]

（2）砼的应力应变随着碰撞过程的进行在极短时间内迅速增大，在较长的时间内砼应力应变均超过了材料的允许值，这也是砼破损的根本原因。通过砼损伤的仿真结果与检测结果的比较，验证了本次仿真结果较精确，与实际情况相符。借助数值仿真这个工具对于开展遭受船舶撞击的桥梁结构安全性评估方面的工作可以起到很好的指导性作用。

参考文献：

[1]朱聪.碰撞冲击荷载下钢筋混凝土结构的动态响应及损伤机理[D].天津.天津大学.2011

[2]贺志勇,戴少平.某城市桥梁船撞事故分析与维修方案[J]中外公路.2010,(6):160-163.

[3]王自立,顾永宁.应变速率敏感性对船体结构碰撞性能的影响[J].上海交通大学学报,2000, 34(12):1704-1707.

[4]刘建成,顾永宁,胡志强.桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤分析[J].公路,2002,(10):33-41.

[5]李耀.混凝土H-J-C动态本构模型的研究[D].合肥.合肥工业大学.2009.