波折钢板-钢覆复合材料防撞设施抗撞性能_宋红红.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 波折钢板钢覆复合材料防撞设施抗撞性能宋红红（中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 ）摘要：为探究撞击作用下波折钢板钢覆复合材料防撞设施的撞击响应和破坏模式，采用非线性有限元软件 ，建立了船防撞设施桥碰撞的数值仿真模型，比较计算结果与试验结果，验证数值模拟方法的有效性，并通过参数分析探明了船舶冲击速度、钢面板厚度、冲击角度对防撞设施防护性能的影响规律。结果表明：有限元方法可以准确模拟碰撞产生的钢箱变形，考虑钢材应变率效应方法获得的钢箱凹陷深度和加速度峰值与试验值误差均小于；冲击速度、钢面板厚度、冲击角度对防撞设施在实际应用中的防护效果有较大影响，防撞设施在不同撞击作用下均起到良好的防护效果，展现出其良好的抗冲击性能和广泛的适用性。关键词：船桥碰撞；钢覆复合材料防撞设施；波折钢板；冲击力；有限元分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，：；收稿日期：基金项目：中铁二十局集团有限公司科技研发项目（，）第一作者：宋红红（），男，高级工程师，主要研究方向为桥梁施工控制技术，航道桥梁数量的增加与船舶的大型化、高速化发展，使得船桥通航矛盾不断提升，船桥碰撞事故越来越多，带来巨大的经济损失、人身的安全威胁和极大的社会影响，引起学者们的广泛关注。建造性能良好的防撞设施是吸收冲击能量、保护桥梁运营安全的有效措施，近年来，不同种类的防撞设施在湛江乌龙江大桥等多座大桥上得到了应用与发展。因此，研究设计对桥梁墩柱有良好防护性能的防撞设施，具有十分重要的应用价值。目前，在防撞设施设计研究方面，等对黏滞性钢丝绳复合吸能防撞设施进行了深入研究，评估了船艏刚度、外围钢板刚度等因素对改变船舶航行方向、耗能能力及减少冲击力的影响，结果表明，由于钢丝绳线圈的黏滞特性，该防撞设施在船舶冲击过程中吸收了大量内能，减轻了船体和外部钢结构的损伤。马志敏等提出了改进的新型防撞墩结构，通过添加钢管以增加节点连接刚度，减小系杆跨度，分散撞击力，提高承载力，调整系杆截面尺寸，实行等强度设计，优化防撞桩群与结构之间的受力关系，增加结构经济性。左杨等提出钢泡沫铝填充材料的防撞钢套箱装置，并对船撞荷载作用下的梁轨相互作用进行了有限元分析，结果表明，安装防撞设施后跨中和跨处的梁轨相对位移有了明显改善，保证了桥梁安全运营。等提出一种双层双向、密配钢筋的超高性能混凝土（，）浮动箱，并配备钢支撑元件，形成碰撞耗能装置，通过数值模拟对内部支撑构件的材料、浮动箱的壁厚、浮动箱的配筋率等进行优第期宋红红：波折钢板钢覆复合材料防撞设施抗撞性能化。研究设计出一种钢聚氨酯夹芯板环形防撞箱，并计算正撞工况下防撞箱的吸能能力，分析得到水平加劲肋对系统防撞性能的冲击力等动力响应的影响较大。郁嘉诚等提出一种隔离式防撞墩与自浮式消能圈相结合的新型桥梁防船撞方案，形成整体防护体系，避免船桥碰撞，并通过复合材料消能圈减小船舶损伤，防撞墩与船舶所受的撞击力削减了 。潘晋等 根据武汉长江二桥设防需求，提出 形夹层结构防撞装置，其夹层结构采用蜂窝状设计，通过延长碰撞历程削减了 的碰撞力峰值，通过自身变形吸能减小了船舶及桥墩在碰撞中的损伤。等 针对防护结构价格昂贵、难以修复的问题，开发了一种低成本的钢框架结构抗撞装置，通过控制结构构件的塑性机制，在特定截面的梁段中形成塑性铰，该装置可以有效吸收冲击能量，且整体的水平和垂直位移相对较小。目前在实际工程中采用的防撞设施普遍存在设计刚度过大、对船艏损伤严重、钢护舷易发生局部刺穿破坏、防腐性能较低等不足。本文结合工程背景桥梁，提出一种新型波折钢板钢覆复合材料防撞结构，并对其开展数值模拟研究，探究冲击速度、波折钢板对防撞单元在冲击荷载作用下结构响应的影响，旨在为该防撞设施的应 用和 实 践 提供参考依据。船防撞设施桥碰撞有限元模型的建立 工程背景与设防标准某实际连续梁桥所处航道通航等级为三级航道，最高通航水位为 ，桥墩需要考虑船舶撞击的 风 险。根 据 内 河 通 航 标 准（）及桥址航道调查报告，该桥的设防船型为 液货油轮，船舶设计速度为。该桥桥墩采用混凝土柱式墩，墩柱及承台的主要尺寸如图所示。图桥墩结构示意图及有限元模型 本文通过显式动力学有限元软件 建立船防撞设施桥碰撞有限元模型。桥墩和承台均采用八节点实体 单元，单元尺寸为 ，其中桥墩共划分 个单元，承台共划分 个单元。桥墩和承台之间采用共节点连接。桥墩和承台均采用基于损伤力学相关理论的各向异性脆性损伤本构模型 （），该本构模型可较好地模拟材料的拉伸断裂行为和剪切损伤，常用于模拟混凝土脆性损伤破坏，材料参数见表。采用关键字 设定承台底面单元节点个平动方向的自由度，模拟桩基对承台的位移限制。表桥墩和承台材料参数 密度（）弹性模量 泊松比拉伸极限 剪切极限 断裂韧性（）剪切滞留黏度（）防撞设施及其有限元模型根据桥墩尺寸及所处航道情况，设计波折钢板钢覆复合材料防撞设施，主要由钢面板、波折钢板、聚氨酯芯材、玻璃纤维增强复合材料（，）防护层和方形橡胶垫块构成，如图所示。防撞设施由钢面板焊接形成基本箱体结构；波折钢板安装在箱体内部，与前后钢板焊接，以提高防撞设施的刚度和整体性；聚氨酯芯材填中 国 科 技 论 文第 卷充在钢套箱的内部，以实现对船舶缓冲和吸收冲击能量的作用，同时降低结构的整体比重，使防撞设施可以随水位自动调整对墩柱的防护高度；方形橡胶垫块在防撞设施和桥墩相互接触时起到缓冲作用。防撞设施可以由多个节段拼装组成，在工厂内预制加工后，运输到桥位进行拼装，以保证生产质量及安装效率。图波折钢板钢覆复合材料防撞设施的构造 聚氨酯芯材、波折钢板采用 三维实体单元，钢面板和钢骨架采用 单元。钢面板、钢骨架和波折钢板均采用多线段随动强化模型 ，其中设置应变率效应参数 ，；聚氨酯芯材采用低密度泡沫本构模型 ；表层 纤 维 防 护 层 采 用 复 合 材 料 本 构 模 型 。橡胶垫块采用 双参数橡胶本构关系。防撞设施的有限元模型及细部构造如图所示。图波折钢板钢覆复合材料防撞设施有限元模型 船舶及其有限元模型船舶 模 型 参 考 我 国 内 河 航 道 中 较 为 常 见 的 液货船。采用非线性有限元软件 ，分析船舶冲击带有防撞单元桥墩的破坏机制，建立船舶有限元模型，如图所示。船艏在船桥碰撞过程中与桥墩直接接触，其塑性变形是冲击能量的主要耗散途径之一，对船艏部分进行精细化建模，采用 单元，网格尺寸为 ，材料模型采用 ；船舶的船身部位图 液货船有限元模型 第期宋红红：波折钢板钢覆复合材料防撞设施抗撞性能远离碰撞区域，对能量耗散的贡献基本可以忽略，采用 实体单元，为提高计算效率，采用刚体材料模型 建模，通过密度参数使船舶总质量达到预设值。通过关键字 赋予船舶冲击前瞬时速度。撞击位置与接触定义船桥碰撞发生瞬间，船舶、防撞设施、墩柱的相对位置如图所示。本文设定的通航水位为承台以上 ，此时防撞设施沉于水下与浮于水面的高度均为 。船舶的吃水深度为 。船艏与墩柱、船艘与防撞设施、墩柱与防撞设施之间均采用自动双面接触方式，通过关键字 对接 触 进 行 设 定，动 态 和 静 态 摩 擦 值 均 设 置 为 。船舶内部各甲板和肋骨之间的接触采用自动 单 面 接 触，由 关 键 字 定义，动态和静态摩擦值均设置为 。图撞击位置示意图 数值模拟方法验证 试验过程 等 对个完全相同的钢套箱进行了不同高度的落锤冲击试验，钢套箱尺寸参照重庆市忠县长江大桥防撞设施的实际尺寸按照缩尺得到，钢套箱尺寸为 ，由厚度为 的 钢板焊接而成，如图（）所示。冲击试验在落锤冲击装置上进行，该装置由导轨、落锤和附在落锤底部的冲击头组成，冲击头如图（）所示。落锤的直径为 ，总质量为 。次试验中，分别将落锤装置提升至（图（）和（图（）高度下落，测得的冲击速度分别为 和 。在冲击试验中，通过位于落锤顶板中心的加速度传感器测得落锤下落过程中的加速度时程曲线。由于落锤的刚度远大于钢套箱，可近似将落锤作为刚体处理。根据牛顿第二定律，通过落锤的质量和加速度时程可以确定冲击过程中的冲击力时程。有限元模型根据文献 中提到的试验方法、结构尺寸及图钢套箱及重锤冲头结构 图落锤冲击试验装置 选用的材料种类，建立钢箱落锤冲击试验的有限元模型。试验装置和数值模型的比较如图所示。图落锤冲击试验装置及有限元模型 对模型材料参数、边界条件及接触方式进行定义。钢套箱模型采用网格尺寸为 的 单元，共 个单元。采用 分段线性弹塑性模型模拟钢材，强度等级为 ，密度为 ，弹性模量为 ，泊松比为 。为分析钢材应变率效应对数值模拟结果准确性的影响，对每个工况下钢材的材料本构模型进行不同处理。选用 模型考虑钢材的应变率效应，相关中 国 科 技 论 文第 卷参数设置为 ，；另一个模型则不考虑钢材应变率效应。由于落锤装置刚度远大于钢套箱，冲击过程中的落锤变形可忽略不计，近似看作刚体，落锤模型采用 单元，选用刚体材料 ，密度为 ，弹 性模量 为 ，泊 松 比 为 。通过关键字 定 义 落 锤 冲 击 前 的 瞬 时 速 度 分 别 为 和 。落锤冲击头和钢套箱之间的接触采用 定义，钢套箱自身面板和肋板的接触采 用 定义，钢板间摩擦系数设定为 。通过关键字 将钢套箱底部单元节点的个平动自由度全部约束。数值模拟结果与试验结果对比图展示了考虑钢材应变率效应下，试验与有限元模拟的钢套箱受落锤冲击下的变形破坏模式对比。可见，顶板均出现了明显凹陷，且钢板的顶板与肋板之间连接处出现了不同程度的断裂。文献 试验中测量得到的不同冲击速度下钢套箱表面最大凹陷深度分别为 和 ；有限元模拟得到的钢套箱表面最大位移分别为 和 ，与试验结果的误差在以内。图钢套箱受冲击后的破坏模式 图 给出了试验与有限元模拟中提取的落锤加速度时程曲线对比。考虑钢材应变率效应的有限元模型计算得到的加速度时程曲线与试验测得的实际曲 线 吻 合 程 度 较 高，峰 值 误 差 仅 为 和 ；而不考虑应变率效应时，数值结果难以准确模拟落锤加速度时程曲线，峰值误差达到 和 。因此，为保证仿真结果的准确性，有限元模拟中应充分考虑钢材应变率效应的影响。此外，试验曲线初期出现振荡的原因可能是落锤在下落过程中与导轨发生相互摩擦碰撞，而模拟中对落锤下落过程进行了简化，故模拟加速度时程曲线没有出现初期振荡的现象。图 落锤加速度时程曲线 由上述对比可得，本文建立的钢套箱有限元模型计算得到的结果与试验结果较为接近，加速度峰值误差在以内，变形误差在以内，可以有效模拟冲击作用下钢套箱的结构响应。本文的有限元模型和各参数取值合理性得到了验证，能够为后续研究提供较为可靠的基础。参数分析 冲击速度为了研究不同冲击速度下波折钢板钢覆复合材料防撞设施对桥梁墩柱的防护性能，选取船舶航行速度为、间隔设置模拟工况，选取航道最高通航水位下 船舶与桥墩接触高度为撞击位置。图 给出了船舶冲击速度为时，设防前后船舶、桥墩及防撞设施的损伤云图对比。可知：设防前，由于桥墩刚度较大，船艘上与桥墩接触部分发生了较大凹陷变形，且桥墩相应位置部分混凝土被压碎；设防后，由于防撞设施的刚度相对桥墩较小，碰撞发生时防撞设施通过自身变形替代桥墩吸收船舶撞击输入的能量，其中，波折钢板的变形耗能占总耗能的 ，钢面板和聚氨酯芯材耗能占比为 ，橡 胶 垫 块 及 复 合 层 耗 能 占 比 为 。此时，船艘钢板变形明显减小，防撞设施起到了很好的缓冲吸能作用。不同速度下的冲击力对比如图 所示。可见：随着船舶速度由提升至，未设防冲击力峰值由 提升至 ，而设防冲击力峰值由 提升至 。船舶速度的提升增加了撞击过程的能量，导致冲击力峰值提高。第期宋红红：波折钢板钢覆复合材料防撞设施抗撞性能图 设置防撞设施前后的结构损伤 图 不同速度下的冲击力 在不同速度的船舶冲击作用下，设置防撞设施均能有效降低冲击力峰值，峰值削减率最大为 。船舶速度为时桥墩底部受力时程曲线对比如图 所示。可见：墩底剪力峰值由 降低至 （降幅为 ）；墩底弯矩峰值由 降 低 至 （降 幅 为 ）。不同冲击速度下的墩底受力情