高桩码头在船舶撞击下的动力响应及损伤分析_刘利琴.pdf

哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University ISSN 1006-7043,CN 23-1390/U 哈尔滨工程大学学报网络首发论文哈尔滨工程大学学报网络首发论文 题目：高桩码头在船舶撞击下的动力响应及损伤分析 作者：刘利琴，陈建峰，罗超，胡文韬 收稿日期：2021-04-29 网络首发日期：2022-11-22 引用格式：刘利琴，陈建峰，罗超，胡文韬高桩码头在船舶撞击下的动力响应及损伤分析J/OL哈尔滨工程大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of Harbin Engineering University 高桩码头在船舶撞击下的动力响应及损伤分析 刘利琴1,陈建峰1,罗超2,胡文韬1（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)摘 要：针对船舶撞击高桩码头问题，本文基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了船舶和高桩码头的结构模型，分析了船舶撞击下高桩码头基桩顶部的受力特性，对比分析了不同撞击速度、撞击角度下高桩码头受到的有效应力、撞击力以及基桩顶部位移，并依此对基桩损伤进行了判断。研究表明：在船舶撞击下，高桩码头不同类型基桩所受的拉压应力大小不同，高桩码头的动力响应随着船舶撞击速度、撞击角度及船舶吨位的变化呈现出规律性变化。关键词：高桩码头；船舶撞击；动力响应；拉压应力；基桩顶部位移；基桩损伤；撞击速度；撞击角度 Doi：10.11990/jheu.202104067 中图分类号：中图分类号：TB125 文献标识码：A Dynamic response and damage analysis of high piled wharf under ship impact LIU Liqin1,CHEN Jianfeng1,LUO Chao2,HU Wentao1(1.Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China)Abstract:Aiming at the problem of ship impacting high piled wharf,this paper establishes the structural model of ship and high piled wharf based on the finite element software ANSYS/LS-DYNA,analyzes the stress characteristics of the top of pile foundation of high piled wharf under the impact of ship,compares and analyzes the effective stress,impact force and displacement of the top of pile foundation under different impact speeds and impact angles,and judges the damage of pile foundation.The research shows that under the impact of ships,the tensile and compressive stresses of different types of foundation piles of high piled wharf are different,and the dynamic response of high piled wharf changes regularly with the change of ship impact velocity,impact angle and ship tonnage.Key words:high piled wharf;ship collision;dynamic response;tensile and compressive stress;displacement of pile top;foundation pile damage;impact velocity;impact angle 高桩码头是港口工程领域应用较为广泛的结构之一，在经历了大规模的港口建设期之后，我国现阶段存在大量使用了几十年的老旧高桩码头1。这些使用年限已久的码头在使用期间由于船舶撞击、风浪荷载、混凝土材料劣化及自然环境侵蚀等原因，基桩普遍受到了一定的损伤。1由于高桩码头的特性，码头的修复工作需要花费的金钱和时间都要远远超 收稿日期收稿日期：2021-04-29.基金项目基金项目：天津市交委项目（2018-b2）；交通运输行业重点科技项目（2018-MS1-012）；中央级科研院所基本科研业务费资助项目（TKS180202）.作者简介作者简介：刘利琴，女,教授；罗超,男,总工程师.通信作者：通信作者：罗超，E-mail：.出其他结构形式的码头，而船舶撞击作为高桩码头的主要荷载来源，对高桩码头的使用耐久性影响较大，因此有必要针对高桩码头的船舶撞击损伤进行研究和预测，为实际碰撞事故提供更多的理论依据。Minorsky2提出了一种基于24次实际碰撞事故的半解析求解方法，分析了碰撞过程中船舶的损伤程度，标志着船舶碰撞研究的开始；AbuBakar 等3研究了撞击角和撞击速度对碰撞的影响，以数值模拟结果为基础，提出了船艏结构碰撞损伤响应的简化计算方法；Petersen4利用船舶水平运动的瞬态方程推导了仿真程序，采用条分法计算了船舶碰撞过程中作用于船体的水动力问题，用近似方法计算截面附加网络首发时间：2022-11-22 11:49:46网络首发地址：https:/ USFOS，建立了船-桥碰撞系统的数值模型，对船撞桥梁的3 个碰撞位置，即中跨、1/4 跨和桥端跨进行了数值分析，计算了包括位移、轴力、剪力和弯矩在内的桥梁响应。邓雷飞等6应用有限元方法对船舶撞击码头的过程进行了数值模拟，根据码头结构产生的最大拉、压应力和混凝土强度破坏准则判断码头的损伤情况，由此确定码头升级改造的可行性；冯森7采用非线性软件 ANSYS/LS-DYNA 建立了散货船和高桩码头实际尺寸模型，研究了船舶不同初始速度、船艏不同构件增厚以及码头有无橡胶护舷等不同工况对碰撞过程的影响。赵天辉8使用ABAQUS/Explicit 对船舶与码头碰撞过程进行了动力学模拟，分别就船舶撞击速度、船舶排水量、撞击角度、码头结构刚度及有无橡胶护舷等影响因素进行对比分析，提取了桩身顶部单元三向应力进行损伤判断和计算，并分别得出它们对高桩码头桩基损伤的影响。王璟9基于人工神经网络方法，对不同参数组合下的群桩结构损伤位置进行了预测，进行可行性评估。王承强10依托连云港老港区的高桩码头，对不同类型船舶靠泊荷载进行了现场试验，并根据行业规范对结构承载力进行了复核计算。以上研究中对于高桩码头在船舶撞击下的动力响应及损伤特性研究较少，因此本文采用ANSYS/LS-DYNA软件，考虑撞击速度、撞击角度等参数，分析了高桩码头在船舶撞击下的动力响应以及桩的损伤特性。1 碰撞模型建立 本研究利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立高桩码头及船舶结构模型。1.1 模型简化模型简化 本文主要研究对象为高桩码头，本文对船舶的内部结构进行合理简化，所建船舶模型主要包括船艏和船身，保持船舶模型的一些基本参数如船长、船宽、型深、重心、质量等和实船相同即可。建模时采用附加水质量法11-12。将船舶周围的水对船舶的作用通过附加质量的方式体现出来，其中，附加水质量为船舶总质量的 0.05 倍。增大船身钢板密度以使船模和实船质量相等。由于实船内部结构复杂以及通常会运输大量货物，船舶总质量比空船质量大得多，因此，本文通过增大船身钢板密度使得货物等的质量转化到船身上，从而确保船模质量和实船质量相等。1.2 建立几何模型建立几何模型 高桩码头的几何模型是参照图1所示天津港液化天然气（liquefied natural gas，LNG）码头的实际结构尺寸建立的，高桩码头几何模型如图2所示。该高桩码头的工作平台平面尺寸为55 m35 m，主要由混凝土面板、横梁、纵梁、混凝土基桩等结构组成。工作平台混凝土基桩一共有36根，分为6排6列，桩径均为1.2 m。其中，第1、6排为直桩，直桩长51.5 m；第2、4排为前斜桩，第3、5排为后斜桩，斜桩长52.5 m。各列桩距10 m，各排桩距57 m。各基桩的桩位如图3所示，船舶撞击点位于#3号基桩的横梁处。图1 天津港LNG码头结构图 Fig.1 Structure of LNG terminal of Tianjin Port 图2 高桩码头模型 Fig.2 Model of high piled wharf 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报#18#31#32#33#34#35#36#25#26#19#13#7#1#20#14#8#2#27#21#15#9#3#28#22#16#10#4#29#23#17#11#5#30#24#12#6直桩前斜桩后斜桩前斜桩后斜桩直桩码头前沿方向撞击船 图3 高桩码头桩位图 Fig.3 Pile location of high piled wharf 本文中船舶的结构尺寸参数如下：船长164 m，船宽26 m，型深13.4 m，船舶吨位20 000 t。划分网格后的船舶撞击高桩码头模型如图4所示。图4 船舶撞击高桩码头模型 Fig.4 Model of ship impacting high piled wharf 1.3 材料参数设置材料参数设置 本文中船舶的船艏及船身结构采用 Thin Shell 163 单元，高桩码头及土体结构采用 3D Solid 164实体单元。其中，船身钢板的密度是通过使船舶吨位达到20 000 t 计算得到的，各结构的材料参数设置如下表 1 所示。根据以上结构的材料参数对船舶和高桩码头模型进行网格划分，网格划分过密会大大增加计算时间，网格划分过疏则会使计算精度降低，本研究综合考虑了计算时间和计算精度，最终划分的网格总数为290万。表1