防船撞夹层结构冲击试验研究*

刘 滔 张博文 许明财 潘 晋

(湘潭市规划建筑设计院有限责任公司1) 湘潭 411100) (中国舰船研究设计中心2) 武汉 430064) (华中科技大学船舶与海洋工程学院3) 武汉 430074) (武汉力拓桥科防撞设施有限公司4) 武汉 430040) (武汉理工大学交通学院5) 武汉 430063)

0 引 言

随着通航船舶与建设桥梁增加，船-船、船-桥之间的碰撞可能造成船体结构的损伤，进而造成人员伤亡和环境污染.根据143例桥梁垮塌事故原因的统计分析，由于船舶撞击导致的各类大型桥梁垮塌事故约占据垮塌总数的30%[1].文献[2-3]均将船舶撞击桥梁事件按偶然载荷处理，导致在桥梁抗力设计中对于船撞偶发事故的安全余量不足.文献[4]规定应比较增强结构自身抗撞能力和采用附加防撞设施两种方案，宜采用增强结构自身抗撞能力的方案，方案不可行时可考虑增加防撞设施.因此，船舶和桥梁都面临船舶撞击的问题.

Wang等[5]采用了钢丝圈来减小撞击力的峰值，从而降低传递到桥墩上的撞击力.潘晋等[6-7]设计了广东崖门大桥的防船撞设施，并通过数值方法研究结构的耐撞性.但传统的单层结构吸能效果差，当撞击在舱壁上和板上的撞击力差别很大.而当撞击力对撞击点很敏感时，该结构的稳健性差，在特定位置的撞击会有大于其他位置的撞击力，影响结构的耐撞性能，因此，有必要研究新形式的桥梁防撞设施，以提高结构的稳健性和耐撞性.Naar等[8]对于横向冲击下的Y形夹层结构进行了一系列的非线性数值模拟研究结构的抗撞性能.Klanac[9]运用数值方法分析了10种不同形式夹层结构的冲击响应，研究结果表明夹层结构具有良好的耐撞性能,因此，许明财等[10]把夹层结构应用于桥墩防撞设施，通过数值仿真结果表明双层结构比单层有更好的吸能和缓冲效果，而且撞击力对撞击点位置不敏感.

由于桥梁防撞设施是通过自身的变形和失效来吸收动能，破坏损伤机理比较复杂，因此有必要开展试验为数值仿真模拟提供校准数据.Amdahl等[11]进行了一系列模拟船舶搁浅的试验研究Y形夹层结构的抗撞性.Rubino等[12]采用试验和有限元模拟方法对不同边界条件下的小尺寸度波纹型夹层梁结构在冲击下的弯曲力学特点进行了研究.Tabri等[13]进行了Y形与X形夹层结构的冲击试验，并与传统的双层舷侧结构进行比较.

全尺寸试验能够获得实际结构的响应，但试验难度和成本较高.而经常用于冲击试验的落锤试验机主要适用于小尺寸的试样，而当试验模型太小会使得其结构冲击响应与实际结构差别较大.目前针对采用非传统结构的大尺寸的桥梁防撞设施夹层结构的冲击试验研究相关文献较少，因此本文采用了一种能够开展大比例模型的冲击试验装置，其主要特点是能够较简单地避免二次撞击，在此基础上进行大尺寸Y形夹层结构的冲击试验，通过试验结果分析Y形夹层结构在不同冲击位置下的响应，为桥梁防撞夹层结构的应用提供试验数据.

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1 试验设计

1.1 试样设计

试验试样主尺度尺寸主要参考文献[10]所设计的实际防撞设施，总长度为2 300 mm，板厚3 mm，见图1.

图1 夹层结构尺寸及撞击点

球形撞头的直径根据文献[13]的全尺寸船撞试验中船首尺寸的7.5%确定，撞头质量为150 kg、直径为120 mm.撞头接触试样前的速度由试样抬起的初始高度控制.在四个试样上进行了三个不同位置的撞击试验.撞击点的位置见图1b)，撞击点1位于面板的中间位置，撞击点2和撞击点3位于腹板和面板的连接处.通过加速度传感器获得的加速度时间历程，并用高速摄像机获得撞头的速度时间历程，结合加速度时间历程判断撞头与夹层板开始接触的时刻，进而取得撞击的初始速度，见表1.

图2中试样由四根立柱，两根横梁组成的框架固定.试样用螺栓固定在横梁上，横梁与立柱之间也由螺栓联结，立柱则由方头螺栓结合地槽固定在地面上.地槽间距为1 m，可以通过移动一组立柱满足不同试样长度的要求.横梁底端到地面距离为3 m，高于摆杆轴线高度，撞头垂直撞击试样.为了进行大尺寸Y形夹层结构的横向冲击，本试验把试验试样水平放置，撞击锤被提升到高于摆杆轴线的位置释放，撞击锤在重力作用下转过大于180°的角度，撞击到试样下方.摆杆转轴由中间嵌有轴承的方板用螺栓固定在门形架上，其到地面距离为2.6 m，高于安装撞头和配重后的摆杆总长，防止试验过程中配重块摩擦地面.摆杆部件的长度为2 m，摆杆转轴中心到撞头轴线的距离为2.25 m.

1.2 试验装置

预注浆法适用于裂隙发育的溶洞，当注浆时发现漏浆严重时，可以考虑采用快凝水泥浆液进行封堵，或采用间歇注浆方式，以减少浆液不必要流失。预注浆法适用于少量填充物或无填充物溶洞处理，对于全填充型溶洞，注浆浆液难以扩散，处理效果不佳。

图2 试验装置布置

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常见的冲击试验装置，以冲锤运动方式作区分，可以分为摆锤式和落锤式两种.在试验前对竖直摆锤进行数值模拟，碰撞速度设置为6 m/s，发现撞头在冲击过程中不会穿透试样，在首次撞击回弹之后脱离试样后，撞头速度大于2 m/s，会出现二次撞击.虽然现有的部分落锤试验机有阻挡或锁止机构以防止撞头的二次撞击，但这类设备主要应用于材料性能试验，可以选择的试验试样尺寸相对较小，无法满足2.3 m长夹层结构的横向冲击要求.水平摆锤式试验装置的简单结构与摆锤的运动路径见图2.

撞头的提升由一台安装在门型架顶端的电动绞车完成，其位置见图3.考虑到应尽量保证撞头垂直撞击试样，应设置为在摆杆平行于地面时撞头开始于试样接触(试样板面同样平行于地面).绞车的挂钩下挂一个电磁铁，提升时电磁铁吸附于连接在摆杆上的一块金属板，带动摆杆上升.使用一个激光测距仪测量撞头提升后到地面的高度.试验过程中撞头的释放同样依靠电磁铁完成，使用布置在地面的开关切断电磁铁供电，在撞头和摆杆重力作用下磁铁会和金属板脱离，摆杆转动直到撞头打击试样.根据动能守恒原理，如果摆锤水平放置，完成第一次撞击后由于重力作用不会第二次撞击试样.但当摆锤初始较高时，摆锤第一次撞击试样后仍有一定动能，如果不控制摆锤的运动，摆锤有可能二次撞击试样.在门架底部的地面上放置了与重物联结的绳索作为拦阻索，撞击后当摆杆回落通过门架底端时用轻质绳索将拦阻索拉起，拦阻索挂到撞头上，撞头带动重物在地面拖动以达成减速的目的，从而避免二次撞击.

图3 电动绞车和吸附电磁铁

1.3 工况设置

试验模型由夹层结构和支撑结构两部分组成.长度方向两端设置支撑，在夹层结构部分没有其他的横向构件.夹层结构长度方向两端布置的板厚为12 mm的箱型结构，用于将试样固定在横梁上，夹层结构面板延伸到支撑结构上并沿面板边缘与支撑结构焊接固定.支撑结构上开有用于固定试样的螺栓孔，螺栓孔被加工成长圆孔避免加工误差造成安装困难的问题..

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表1 试验工况

2 试验结果分析

拉伸试验仪器为加载范围为±100 kN的INSTRON试验机.板材的力学性能通过准静态拉伸试验获得，试验环境为室温23 ℃、湿度为55%.进行5个试件的拉伸试验，试验段的长度、宽度和厚度的平均值分别为62.68 ，20.10和2.97 mm，拉伸速度为5.0 mm/min.试验中记录试件的载荷-位移关系，并转换成应力-应变曲线，见图4.

图4 应力-应变曲线

通过加速度传感器获取的加速度时间历程见图5，并根据加速度时间历程采用牛顿第二定律计算撞击力.撞深数据则从高速摄像机输出的结果中取得.工况1和工况2的撞深-力曲线很接近，说明当撞击点在板上时，结构响应对撞击点的不是很敏感.但仍然存在偏差，主要是由夹层结构的加工、撞击点和摆杆提升高度等误差引起.工况3的撞击点是在夹层结构腹板上，其最大撞击力与工况1和工况2相差不大，说明该结构的撞击力主要取决于整体刚度.由于板的横向刚度小，撞击在板上的撞深远大于撞击在腹板位置.工况3和工况4的撞击点都是腹板与面板的连接处，但工况4比工况3的撞击力小8%.主要是由于在进行工况4试验时由于摆杆位置的偏差照成撞头产生偏移，见图6.工况3和工况4的结果差异说明当撞击点在腹板上时，撞击位置精度对试验结果影响很大，该系统在撞击点精度方面还需要提高.由于桥梁防撞结构主要关心传递到桥墩上的撞击力，而撞击在面板和腹板上的撞深差别很大，但撞击力差异却很小.因此如果Y形夹层结构用于桥梁防撞设施设计时，应该主要考虑整体刚度.

图5 结构响应

图6 冲击后的变形

3 结 束 语

文中采用一种可以防止二次撞击的大尺寸模型横向撞击试验系统，并使用球形撞头进行了Y形夹层结构的横向冲击试验.当球形撞头的撞击点在板上时，结构响应对撞击点的敏感性较低，撞击点偏离面板中部预计位置时撞击响应区别不大.球形撞头的撞击点在腹板上时，撞击位置对撞击响应影响较大.撞击在面板和腹板上的撞深差别很大，但最大撞击力差异却很小，说明该结构的最大撞击力主要取决于整体横向刚度.由于桥梁防撞结构主要关心传递到桥墩上的撞击力，因此如果Y形夹层结构用于桥梁防撞设施设计时，应该主要考虑整体刚度.Y形夹层结构的最大撞击力对撞击位置不敏感，变化小.当采用该结构形式所设计的防船撞结构具有较好的稳健性和耐撞性.