浅析多孔材料在桥梁防撞结构中的应用

摘要：本文从航运安全的角度出发，首先探讨了桥梁防撞结构的设计要点及分类，再运用非线性有限元数值分析方法（LS-DYNA）研究了二维有序多孔材料在准静止状态下受压的力学性能。

关键词：多孔材料，桥梁防撞结构， 有限元分析

Abstract: this paper, from the point of view of the navigation, this paper firstly probes the bridge structure the design points of the crash and the classification, then using nonlinear finite element numerical analysis method (ls-dyna) two-dimensional ordered porous materials in quasi the stationary state of compression mechanics performance.

Keywords: porous materials, Bridges, impact-proof structure, the finite element analysis

中图分类号：V244 文献标识码：A 文章编号

1、研究背景及意义

现代社会船舶与桥梁的安全问题日益严重。据统计，1959~2004年中国船桥碰撞事件共251起，在船桥碰撞引起的桥梁损伤中，桥墩被撞的工况是主要的损伤形式。因此，90年代以来，桥墩防撞结构的分析与设计也日益受到人们的重视。

2、桥墩防撞结构的设计要求及其分类

2.1设计要求

桥墩防撞结构的设计包含多个学科：材料力学，结构力学，流体力学，振动冲击力学等，防撞结构的设计需要综合考虑桥墩自身的材料、结构、尺寸、桥墩的位置、水文状况、通航船舶的类型及航速等。桥墩防撞结构的设计需要满足以下：

（1）兼顾航道、水运和桥梁等几方面的利益；

（2）满足通航要求；

（3）能够适应水位变化；

（4）结构和材料要利于吸能；

（5）撞后恢复能力强；

（6）安装、运输方便；

（7）防撞结构的设计不能带来新问题；

（8）价格适宜。

2.2结构类型

桥梁防护结构分为五大类，即：防护板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛或暗礁保护以及浮动保护系统。国内目前讨论的比较多的是钢结构、独立防护桩、群桩和浮体系泊防撞装置。钢结构防撞装置在防撞角度、保护船只、成本等方面有着较大的优势，因此目前国内对钢结构防撞装置的研究与使用较多。

3非线性有限元动态数值仿真分析

3.1非线性有限元控制方程

对于防撞结构的研究主要有两种方法，一种为试验研究，一种为数值模拟分析。前者在模型制得、试验场地、试验周期、数据获取以及模型与实际的对应关系上存在难以避开的硬伤，因此数值模拟分析是目前主要的研究手段。

船舶和桥墩防撞结构碰撞是一个复杂的过程，碰撞区的构件会在很短的时间能产生很大的应力，同时发生屈曲、塑性变形、褶皱等大变形行为。描述这种问题的数值方法有很多，其中最完备、最接近实际情况的要数有限元方法。

碰撞问题运动方程为

其中，[M]——质量矩阵；[C]——阻尼矩阵；[K]——刚度矩阵；{a}——加速度向量；

{v}——速度向量；{s}——位移向量；{ }——外力向量

离散化的瞬态动力学问题适用于显式直接时域求解法。该方法无需进行矩阵分解或求逆，无需解联立方程组，可通过自动控制时间步长得到较稳定的解同时保证时间积分的精度。ANSYS/LS-DYNA软件程序采用变步长积分法，实际中采用最小有限单元网格特征长度除以应力波速来定义最小时间步长：

3.2碰撞中的接触算法

如果两个面可能发生接触，则要定义主从面。计算过程中要持续检查从属节点有没有接触主面，如果没有，则计算继续；如果已接触，为了使节点不再穿透，需要在主面上施加一个作用力，即接触力。

图1 主从接触面

4多孔材料数值模拟加载试验

4.1多孔材料综述

多孔材料以其良好的力、电、热、声性能，被广泛应用于各个领域，有着减重、抗冲击吸能、减振降噪、隔热保温、散热、生物工程等多方面的用途。多孔材料根据其内部结构可大体分为有序结构与无序结构两大类，本文研究的是二维有序多孔材料。

4.2多孔材料有限元模型单元及材料模型

考虑到多孔材料的构造特性，有限元模型采用SHELL163单元，加载模具采用SOLID164单元，多孔材料模型采用弹塑性线性强化模型，各参数为：

杨氏模量 E = 68GPa,屈服应力 密度 泊松比

模具材料模型为刚体模型，各参数为：

杨氏模量 E = 210GPa密度 泊松比

4.3数值模拟加载试验结果及分析

加载试验结果如下：

图2 多孔材料压缩

图3 应力应变曲线

由上图的应力应变曲线可以看到一个有趣的现象，即存在一个应力相对水平段，所对应的应力值称为平台应力；同时多孔材料的变形过程是逐层变形的。这两个性质使其在桥墩防撞结构上有很好的应用前景。

平台应力的存在使得多孔材料在受压变形过程会保持一个比较平稳的应力，应用在防撞结构中可以减小对桥墩以及船舶的动载效应，提高两者的抗压能力；逐层变形可以最大限度地增加变形时间，从而降低船桥碰撞之间的应力大小。

5桥墩防撞结构方案设计

5.1已有案例

5.1.1有限元模型

在“桥梁船撞有限元动力数值模拟分析”文章中提到一种防撞结构设计方案，方案应用了多孔材料，将泡沫铝缓冲材料沿两个双薄壁墩以及横系梁周边固定的方式与桥墩形成一个整体，如图所示；外面再加以船型钢箱防撞结构。

图4 泡沫铝缓冲装置 图5 钢箱与桥墩切片图

5.1.2有限元分析结果

表1 泡沫铝钢箱的能量吸收表

从表中数据可以看出，整个装置虽然吸收了35%的船舶动能，但其中的泡沫铝吸能很少，不足0.1%，因此泡沫铝的摆放方式应改变。

5.2新的防撞结构方案设计

（1）新的桥墩防撞结构设计方案中，其外形仍然采用船型方案，该外形可使船舶在非正碰桥墩工况的情况下改变船行进的方向，保护船和桥两者，同时也可增加航道净宽度；

（2）结构上可用钢梁和钢板将防撞结构分割成各个区域；

（3）防撞结构与桥墩的连接不是采用泡沫铝，而是用橡胶护舷；

（4）多孔材料应平放在各个区域之中，这样可以吸收更多的能量；

（5）外钢围应采用钢管而不是矩形截面管，因为钢管的吸能吸能比矩形截面管更好，制作工艺也较简单。

具体结构可借鉴下图

图6 桥墩防撞结构

6结论

（1）航运安全问题现在越来越突出，桥梁尤其是桥墩防撞结构应给予足够的重视；

（2）多孔材料以其独特的结构在多个领域都有广泛的应用，而在船桥碰撞问题上，多孔材料的特殊力学性质及其优越的能量吸收特性决定了其在这个问题上会有良好的表现；

（3）本文最后提出了一种新的防撞结构设计方案，可以预见该结构会有良好的表现，但在一些细节问题比如该流域的附加质量模型还有待进一步的研究。

参考文献

【1】Henrik Gluver & Dan Olsen. Current Practice in Risk Analysis of Ship Collision to Bridges.

Ship Collision Analysis. 1998

【2】吴永固. 桥梁船撞有限元动力数值模拟分析.重庆交通大学.2010.11

【4】尹锡军.船桥碰撞及桥墩防撞设施研究.大连海事大学.2009.6

【4】巫祖烈等 泡沫铝桥墩防撞装置的试验研究.结构工程师.2009.6（25）.126～130

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。