环保型浮式柔性防撞装置试验与数值仿真研究*

李嵩林　耿　波　尚军年

(招商局重庆交通科研设计院有限公司1)　重庆　400067)　(桥梁工程结构动力学国家重点实验室2)　重庆　400067)

环保型浮式柔性防撞装置试验与数值仿真研究*

李嵩林1,2)耿波1,2)尚军年1,2)

(招商局重庆交通科研设计院有限公司1)重庆400067)(桥梁工程结构动力学国家重点实验室2)重庆400067)

摘要：环保型浮式柔性防撞装置是一种新型的比强度、比刚度大和比吸能高的复合材料防撞结构.文中对其进行了4种不同工况下的碰撞试验，对比了有无防撞装置和不同撞击速度条件下的撞击力、撞击加速度、动位移等碰撞动力效应，研究了防撞装置的缓冲消能效果；对应进行了4种不同工况下的数值仿真研究.试验研究结果与仿真结果均表明该防撞装置的缓冲消能效果良好.

关键词：防撞装置；复合材料；碰撞试验；撞击力；撞击速度

李嵩林(1987- ):男，硕士，工程师，主要研究领域为道路与桥梁工程

目前，国内外为降低桥梁船撞风险而设计研究了一些防撞措施[1-5]，主要分为3大类：独立式防撞系统、附着式防撞系统和一体式防撞系统.结合具体的桥梁布置形式和水文地质条件等，设计相应的防撞系统可以有效的起到防撞效果.但这3大类防撞系统存在的问题有：(1)都是针对保护桥梁而设的，船舶在与其碰撞的过程中要么两败俱伤，要么一方溃不成军；(2)工程结构傻、大、笨、粗的特点，其耗费在桥梁成本中所占的比例较大，增加了桥梁的工程预算；(3)防撞设施的材料还有待进一步研究，随着各类新材料新工艺的出现，应注意选择环保、经济、耐久的材料，降低前期投资和后期维护费用.

本文针对三峡库区河流水位落差大、汛期流速急的特点[6]，设计了一种新型浮式柔性防撞装置，该装置的特点：(1)通过复合材料防撞套箱的变形来延缓撞击时间，消耗撞击能量，减小桥梁结构直接承受的船舶撞击效应；(2)无论高水位还是低水位都能随水位变化而上下自由浮动；(3)具备优良的耐久性能.

1环保型浮式柔性防撞装置设计

该防撞装置由外围壳体与内部吸能元件2部分组成，壳体用作容集功能的构件，含有容槽和盖板2部分，均采用防水复合材料制作，容槽内容集吸能元件，盖板在容槽填装容集物后塑焊其上，起密封作用.

2环保型浮式防撞装置冲击试验

2.1冲击试验方法与步骤

此次防撞装置撞击试验，以船舶正向撞击桥墩和船舶正向撞击防撞装置为背景，设计了4次试验,见表1、图1.将落锤抬升至设计高度，用来模拟相似于船舶撞击时的各个速度.在重力作用下落锤分别撞击混凝土试验梁(试验梁为2块矩形梁合并而成)和复合材料防撞装置，用来模拟有无防撞装置保护的情形.

表1　试验工况安排表

撞击过程中利用高速摄像机记录撞击时刻撞击模型的变形情况，同时在落锤、防撞装置和混凝土试验梁上安装加速度传感器、位移传感器和应变片，记录撞击过程中落锤与试验梁加速度和位移的时程变化，最后分析比较得出防撞装置的消能效果.

注：工况一在试验过程中加速度传感器全部脱落图1　不同工况下加速度峰值比较

2.2试验分析

1) 试验梁底部截面加速度由图1可见：(1) 对比工况二与工况四，有套箱保护的试验梁底部加速度明显小于无套箱保护的情况；(2) 比较工况三和工况四，试验梁底部各个截面的加速度峰值相差不大，说明在防撞套箱的保护下，撞击速度对于试验梁的截面加速度的影响是比较微小的.

2) 落锤在试验梁有、无套箱保护各工况下的加速度试验结果，见图2.

图2　不同撞击速度时落锤加速度比较

在防撞套箱的保护下，落锤加速度峰值有了很明显的削弱，由图2可见，无防撞套箱保护时，各参数在很短的时间内就达到了峰值且后续无其他峰值，而有防撞套箱保护时，在相同的时程内峰值有了明显的削弱，并且后续时程也相继出现了其他的更小的峰值，体现了该防撞装置的柔性.有防撞套箱的落锤加速度峰值明显降低.

图3　不同工况下加速度峰值比较

3) 试验梁底部截面动位移图3为不同工况下动位移峰值比较.由图3可见：(1)工况一与工况二相比，在不同的撞击速度下，速度越快动位移的响应也就越大，与理论相符；(2)工况三与工况四相比，动位移峰值基本趋于一致，说明在套箱的保护作用下，撞击速度对于试验梁的动位移响应的影响是比较微小的；(3)对工况一与工况三，工况二与工况四进行比较，试验梁在套箱的保护下，动位移峰值有很明显的降低.以上3点均说明防撞装置具有很好的缓冲消能作用.

3防撞模型动力仿真

利用LS-DYNA分析软件模拟冲击试验的4种工况，通过各工况撞击力、落锤加速度和试验梁底部加速度仿真结果的对比，分析防撞装置的缓冲消能效果.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[7-8].在2个相撞物体上，分别定义主从接触面，在计算过程中的每一时间步内，根据从属节点是否穿透主面来决定是否在主面上施加一作用力来阻止从属节点继续穿透，这个力即接触力.接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性.

3.1计算模型的建立

该动力仿真模型包括落锤、防撞套箱、矩形梁、支座4部分.该模型中，落锤由混凝土材料模拟，采用实体单元建模，总计40 000个单元，单元平均尺寸20 mm；防撞套箱包括外层FRP复合材料和内部吸能元件，防撞套箱全用壳单元模拟，总计52 670个单元，单元平均尺寸20 mm；钢筋混凝土梁采用实体单元，弹性本构，截面尺寸为500 mm×800 mm，长3 m，总计100 000个单元，单元平均尺寸20 mm.整个模型在重力加速度场中模拟，各工况落锤的下降高度见表1.通过模拟分析撞击力时程、落锤加速度时程、梁底部截面加速度时程及能量时程曲线，研究该防撞套箱的防撞效果.

3.2模拟参数设置

为了模拟落锤与防撞套箱结构、防撞套箱结构内部自身的挤压及其与矩形梁间的撞击，数值模拟计算采用面面接触和自接触.其中，自接触用于防撞套箱结构的内部吸能元件之间；面面接触用于落锤与防撞套箱结构之间、落锤与矩形梁之间、防撞套箱与矩形梁之间以及矩形梁与支座之间等部位.

3.3计算结果及分析

1) 撞击力仿真结果不同工况下撞击力时程曲线如图4.

图4　不同工况下撞击力时程曲线

有无防撞套箱，不同撞击速度时撞击力峰值见图5.

图5　落锤撞击力峰值

由图5可见以看出，撞击速度越大，落锤撞击力峰值越大.有防撞套箱的条件下，落锤撞击力峰值明显下降.

2) 落锤加速度有无防撞套箱、不同撞击速度时加速度峰值见图6.

图6　落锤加速度峰值

由图6可见，撞击速度越大，落锤加速度峰值越大.有防撞套箱的条件下，落锤加速度峰值明显下降.

3) 试验梁底部截面加速度在4种不同的工况下，试验梁底部加速度峰值见图7.

由图7图可见：(1)不同工况下加速度峰值基本表现为1/2跨度最大，1/4与3/4截面加速度峰值相对接近，仿真计算结果与试验采集数据的趋势基本一致；(2)在防撞套箱的保护下，试验梁加速度峰值有明显削弱；(3)对比工况三和工况四，试验梁加速度峰值非常接近，说明在防撞套箱的保护下，不同的撞击速度对试验梁底加速度峰值影响小.

图7　不同工况下加速度峰值

4) 试验梁内能曲线比较4种工况下试验梁的内能曲线，见图8.

图8　不同工况下试验梁内能对比图

由图8可见，在相同的撞击速度下，有防撞套箱的工况三和工况四中的试验梁内能均小于无防撞套箱的工况一和工况二.

4结论

1) 经试验表明，新型浮式防撞套箱明显降低了撞击力大小，延长了落锤碰撞作用时间，降低了试验梁承受的直接撞击效应，说明该防撞套箱具有很好的缓冲消能作用.

2) 数值模拟结论与试验结论一致，均表明该新型浮式防撞套箱具有很好的缓冲消能作用.

3) 与传统的防撞措施比较，该防撞套箱采用FRP复合材料，具有质量轻，防水性能极佳，抗腐蚀性强等优点，因此具有很好的耐久性能.

4) 无论高水位还是低水位，该防撞套箱都能随水位变化而上下自由浮动.

5) 与传统的防撞措施比较，该防撞套箱也可以很好的保护撞击船舶.

参 考 文 献

[1]胡志强，崔维成. 船舶碰撞机理与耐撞性结构设计研究综述[J].船舶力学，2005，9(2)：131-141.

[2]陈国虞.防御船撞桥的桥墩防撞装置[J].航海技术，2001(1)：23-24.

[3]孙振.桥梁防船撞设施的比较研究[D].上海：同济大学，2007.

[4]王君杰，耿波. 桥梁船撞概率风险评估与措施[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5]HOLGER S.Protection of bridge piers against ship collision,Int[R].Conference on Bridge Engineering-Challenges in the 21 st Century,2005,HK.

[6]重庆市城乡建设委员会.DBJ/T50-106-2010重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南[S].重庆：重庆市城乡建设委员会，2010.

[7]王朝军，陈传尧，章建军，等.桥墩防护装置数值模拟分析[J].国外桥梁，2001(4)：72-75.

[8]范彬，晏俊，王林.桥梁防撞结构数值模拟分析[J].湖南城市学院学报:自然科学版，2004，13(4)：11-14.

Experimental Study and Numerical Simulation on

中图法分类号：U44；TB332

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.019

收稿日期：2014-00-00

Eco-friendly Floating and Flexible Anti-collision Devices
LI Songlin1,2)GENG Bo1,2)SHANG Junnian1,2)
(ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&

DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)1)

(StateKeyLaboratoryofBridgeEngineeringStructuralDynamics,Chongqing400067,China)2)

Abstract：Eco-friendly floating anti-collision devices are the new composite anti-collision structures, expressing large specific strength, specific stiffness and specific energy absorption. Crash tests of four different conditions were carried out. By comparing the impact force, impact acceleration, displacement and other collision dynamic effects under the presence or absence anti-collision devices and different impact velocities, the buffering effects of anti-collision devices were studied. In addition, numerical simulation analysis of four different conditions were done. Experimental and simulation results showed that the anti-collision device have the effective buffer performance. The paper will provide theoretical support to promote the application of eco-friendly floating anti-collision devices.

Key words：anti-collision device, composites, crash experiment, impact force, impact velocity

*重庆市“百名工程技术高端人才培养计划”项目资助