靠船墩船舶撞击力计算方法及影响因素研究

    李亮亮　高羽末

    

    

    

    摘 要：以江苏某船闸靠船墩结构实际工程为例，本文研究采用大型有限元分析软件ABAQUS中的Explicit模块，建立了船舶、靠船墩及地基土的三维有限元模型，模拟了船舶在不同影响因素条件下撞击靠船墩的瞬态过程，得到了不同工况下的撞击力变化规律。研究表明：撞击力与船舶质量的0.5次方成正比，与速度的1次方成正比，与撞击角度近似呈正弦关系。研究表明：三维有限单元方法可以对船舶撞击靠船墩的问题进行准确模拟。

    关键词：靠船墩 船舶撞击力 影响因素 计算公式

    靠船墩是船闸结构中供等待过闸的船舶临时停靠所用的重要水工建筑物，直接承受船舶停靠时的反复撞击作用。靠船墩结构的安全将直接影响到船闸的通过能力和船舶通航的安全，有必要对船闸靠船墩撞击荷载开展深入的研究。

    靠船墩在船舶的撞击作用下将可能发生不同程度的损坏，如泗阳双线船闸个别靠船墩整体倒塌等，严重影响了正常通航。为合理的设计靠船墩结构，近年来国内学者对船舶撞击力的取值进行了相关的研究。大多数研究将船舶撞击力作为一个静力荷载处理。但是船舶的撞击作用实际上是一种短暂、局部的非线性力，故船舶撞击力的研究应该基于动力分析而开展的研究。

    大型有限元分析软件ABAQUS/Explicit模拟船舶撞击靠船墩的瞬态过程，该软件不仅可以很好的描述船舶与靠船墩接触前、接触中以及分离以后的各个时刻的状态响应，还可以得出撞击力在撞击过程各个时刻的变化，功能非常强大。建立三维瞬态动力模型后，继而分析撞击力的影响因素，确定靠船墩撞击力的合理取值，为船闸靠船墩结构的设计提供参考。

    数值模型建立

    依据江苏某船闸的实际工程结构尺寸来建立有限单元模型，如图1所示。计算体系由土体、靠船墩和船舶三个部分共同组成，其中土体与靠船墩之间设置面面接触；船体与靠船墩之间设置面面接触，模型共计65367个节点54520个单元，各个部分的尺寸如下：

    土体：平面尺寸21m*18m，高度方向10m。

    靠船墩：平面尺寸6m*5m，高度方向10m。

    船舶：平面尺寸55m*10m，高度方向3.5m。

    计算结果验证

    为了验证计算结果与实际碰撞力之间的吻合度，本文采用现场实验结果进行验证，现场实验在盐邵船闸下游某靠船墩处采用船舶撞击力动态测试系统进行了现场碰撞试验，碰撞力测量装置和测速杆安装图如图2所示，实验条件为600t船舶，初速度3.8cm/s，撞击角度为90°撞击靠船墩。最终通过仪器测得试验撞击力峰值为578.82kN。

    依托上述现场试验资料的靠船墩、通航船舶的实际尺寸，建立有限元模型，通过有限元仿真计算得到最大撞击力为566.7kN，结果对比如表1所示。由表中可知，现场试验与有限元仿真得到的撞击力值误差在5%之内，结果表明，本文的有限元模型合理可行。

    影响因素分析

    影响船舶撞击力的因素主要包括船舶吨位、船舶桩基初速度以及船舶撞击角度，因此本节从这三个方面进行研究。首先，本文研究在90°正向撞击作用下，初速度和船舶吨位对撞击力的影响。研究中考虑船舶吨位分别取为100、300、500、1000、2000、3000的情况，并对每一种吨位下考虑撞击初速度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m/s条件下的平均撞击力，计算结果如下表2所示。

    计算结果绘制于图3中可以看到撞击力随着质量的变化趋势以及撞击力随着速度的变化趋势。从图中可以看到：撞击力随着初速度呈现较为明显的线性关系，而撞击力随着船舶质量呈现一定的非线性关系。为了使得计算结果能够在工程设计中便于使用，本文采用一定形式的函数来描述撞击力随着质量以及初速度的变化规律。这里假定：

    通过对表2中数据的回归可以得到：a1=0.5，a2=1.0是上式的最大似然估计。

    同样的，为了考虑撞击角度对船舶撞击力的影响本文计算了15、30、45、60、75、90°下的撞击力平均值，计算结果如表3所示。

    将表中计算结果绘制于图4中可以看到撞击力随着撞击角度的变化趋势。从图中可以看到：撞击力随着角度呈现较为明显的线性关系，考虑到角度变量的特殊性，本文采用正弦函数对角度变量进行拟合，拟合得到的结果如图4中实线所示，可以看到，正弦函数基本能够反应角度对撞击力的影响特性。

    由上述分析，本文采用如下形式的函数来描述撞击力随着质量、初速度以及撞击角度的变化规律：

    通过对表2和表3中数据的回归可以得到：是上式的最大似然估计。

    结语

    本文采用显式有限元算法，基于ABAQUS/EXPLICIT软件，以重力式靠船墩为例对船闸结构设计中的船舶撞击力计算荷载的影响因素进行了研究，研究表明：撞击力与船舶质量、撞击初速度以及撞击角度三者之间的拟合函数关系式为。该公式以及本文所采用的研究方法可以为类似工程提供参考，以及理论基础。

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    （作者单位：中交上海航道勘察设计研究院有限公司）