基于非线性数值模拟的桥梁船撞力主要影响因素研究王红梅【摘要】船舶的碰撞载荷是桥梁设计的重要控制数据之一。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对船舶与带FRP防撞浮箱的桥墩碰撞过程进行数值模拟，分析船舶在各种工况下的撞击力时间历程，讨论船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度等主要因素对桥梁船撞力的影响，得到船撞力与各影响因素之間的内在规律。【关键词】船桥碰撞；数值模拟；船撞力：U441：A：2095-2457（2018）31-0155-003DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.075【Abstract】Thecollisionloadofshipisoneoftheimportantcontroldataofbridgedesign.Inthispaper，ANSYS/LS-DYNAfiniteelementanalysissoftwareisusedtosimulatethecollisionprocessbetweenshipandpierwithFRPanti-collisionfloatingbox.Thispaperanalyzesthetimehistoryofshipcollisionforceundervariousworkingconditions，discussestheinfluenceofshipcollisionspeed，shipmassandshipcollisionangleonbridgeshipcollisionforce，andobtainstheinternallawbetweenshipcollisionforceandvariousinfluencingfactors.【Keywords】Ship-bridgecollision；Numericalsimulation；Shipcollisionforce0引言船桥碰撞理论涉及诸多因素，比如船舶类型、航行速度、撞击角度、航道水深、流速以及潮汐变化、桥墩外形、墩基稳定性等。而船舶的撞击力主要跟船舶质量、船舶撞击速度、船舶撞击角度、船舶撞击位置、承台形状等因素有关，由于船舶的碰撞载荷是桥梁设计的重要控制数据之一，目前虽然有相当多的经验公式可以来估算一定吨位船舶对桥墩的撞击力，但是其参数简单，不能描述船首结构的细节。而利用非线性有限元软件，通过对碰撞过程的数值模拟，是目前获得船舶撞击力的最佳和最准确的方法。FRP防撞浮箱是应用于重庆市嘉陵江黄花园大桥的桥墩防船撞装置。为研究影响桥梁船撞力的主要因素，本文特选取船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度三个因素，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对船舶与带FRP防撞浮箱的桥墩碰撞过程进行数值模拟，通过分析船舶在各种工况下的撞击力时间历程，来分析这三个因素对桥梁船撞力大小的影响，从而得到船撞力与各影响因素之间的内在规律[1]。1有限元模型重庆交通科研设计院作出的《嘉陵江黄花园大桥船撞风险分析咨询报告》[2]中指出，嘉陵江黄花园大桥船撞风险主要来自于1号和2号桥墩，其中2号桥墩船撞风险较大。黄花园大桥船舶上下水航速均为正态分布，船舶逆流航速集中在1～5m/s之间，船舶顺流航速集中在5～8m/s之间。黄花园大桥船舶偏航角同样服从正态分布，船舶的偏航角集中在8°～22°之间。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行数值模拟计算，建立一艘2000t散货船、2号桥墩、FRP防撞浮箱的有限元模型，见图1。2桥梁船撞力主要影响因素分析2.1船舶撞击速度的影响考虑船舶与FRP防撞浮箱正撞的情况，选用一艘2000t的散货船为计算对象，流体对船体的作用以附加质量来表示，纵向附连水质量取5%的船体质量，通过调整船舶的密度来实现。船舶的初始速度分别为3m/s、5m/s、8m/s，数值模拟结果见图2～4。从数值模拟结果中可以看出，船舶撞击力的峰值随着船舶撞击速度的增加而增大，当速度分别为3m/s、5m/s、8m/s时，对应的峰值分别为10.1MN、16MN、27.5MN。速度的比值为1：1.67：2.67，对应的船舶最大撞击力的比值为1：1.58：2.72，两者比较接近，则可以近似地认为船舶撞击速度与船舶撞击力峰值之间具有线性关系。图5给出了船舶撞击力峰值与船舶撞击速度之间的关系，可以观察到撞击力峰值与船舶撞击速度基本呈现线性关系[3]。根据数值模拟的计算结果，可以认为船撞力的峰值和船舶撞击速度之间呈现线性关系[3]。但在进行桥梁船撞设计时，选用的设计船撞力往往不是这个峰值，通常是在某个时域内的平均力[4]，而这个力和速度之间是否呈现线性关系，还需要进一步研究[3]。2.2船舶质量的影响考虑船舶正撞FRP防撞浮箱的情况，按比例调整船体的所有材料的密度，使船舶的质量改变为1000t、2000t、3000t，附连水质量均取5%的船体质量来表示流体的影响，船舶的撞击速度取3m/s，其他...