武汉鹦鹉洲长江大桥中塔墩防船撞装置研究

桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０２０ꎬ５０(１)

文章编号:１００３－４７２２(２０２０)０１－００２０－０６

武汉鹦鹉洲长江大桥中塔墩防船撞装置研究

方　海ꎬ王　健ꎬ祝　露ꎬ刘伟庆

(南京工业大学土木工程学院ꎬ江苏南京２１１８１６)

摘　要:武汉鹦鹉洲长江大桥主桥为(２００＋２×８５０＋２００)ｍ三塔四跨钢－混结合梁悬索桥ꎬ中塔墩提出采用自浮式筒形复合材料防撞装置ꎬ以减小桥墩的船撞风险ꎮ为研究该防撞装置的破坏模式及防撞效果ꎬ制作了４个缩尺比为１∶８的防撞装置试件进行准静态侧压试验ꎬ并采用ＡＮ￣ＳＹＳ/ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元软件对船桥的碰撞过程进行数值模拟ꎮ结果表明:在准静态侧压下ꎬ防撞装置的内面层层间剥离、外面层与泡沫剥离ꎬ内、外面层纤维均断裂ꎻ纵向格构层间剥离并屈曲破坏ꎬ降低格构间距可提高结构的弹性极限承载力和初始刚度ꎻ防撞装置可以降低船舶撞击力ꎬ延长撞击时间ꎻ船艏结构撞击后变形明显减少ꎬ应力降低ꎮ该防撞装置具有良好的防撞保护效果ꎬ能有效地降低船桥碰撞过程中桥梁和船舶的损伤ꎮ

关键词:悬索桥ꎻ筒形复合材料防撞装置ꎻ船舶撞击ꎻ准静态侧压试验ꎻ有限元法中图分类号:Ｕ４４８.２５ꎻＵ４４３.２６

文献标志码:Ａ

ＳｔｕｄｙｏｆＣｏｌｌｉｓｉｏｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓｆｏｒＣｅｎｔｒａｌＰｙｌｏｎＰｉｅｒｏｆ

ＹｉｎｇｗｕｚｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅｉｎＷｕｈａｎ

(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１８１６ꎬＣｈｉｎａ)

ＦＡＮＧＨａｉꎬＷＡＮＧＪｉａｎꎬＺＨＵＬｕꎬＬＩＵＷｅｉ￣ｑｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｍａｉｎｂｒｉｄｇｅｏｆＹｉｎｇｗｕｚｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅｉｓａｔｈｒｅｅ￣ｐｙｌｏｎｓｔｅｅｌ￣ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｉｒｄｅｒｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｒｉｄｇｅｗｉｔｈｓｐａｎｓｏｆ２００ꎬ２×８５０ａｎｄ２００ｍ.ａｓｅｌｆ￣ｆｌｏａｔｉｎｇｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｍａｄｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄꎬｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｏｆｐｉｅｒ￣ｖｅｓｓｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎ.Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅꎬｆｏｕｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆ１∶８ｓｃａｌｅｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄꎬａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｖｅｓｓｅｌ￣ｂｒｉｄｇｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｌａｔｅｒａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎬｔｈｅｉｎｎｅｒｗａｌｌｓｏｆｔｈｅａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉ￣ｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｄｅｌａｍｉｎａｔｅｄꎬｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｗａｌｌｓｄｅｔａｃｈｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｏａｍꎬａｎｄｆｉｂｅｒｓｉｎｔｈｅｉｎｎｅｒａｎｄｏｕｔｅｒｗａｌｌｓｗｅｒｅｂｒｏｋｅｎ.Ｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌａｔｔｉｃｅｗｅｂｓｄｅｌａｍｉｎａｔｅｄａｎｄｓｕｆｆｅｒｅｄｆｒｏｍｂｕｃｋｌｉｎｇｄａｍａｇｅꎬｗｈｅｒｅａｓｒｅ￣ｄｕｃｉｎｇｔｈｅｓｐａｃｉｎｇｏｆｌａｔｔｉｃｅｗｅｂｓｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｕｌｔｉｍａｔｅｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｉｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｖｅｓｓｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｆｏｒｃｅａｎｄｐｒｏｌｏｎｇｔｈｅｔｉｍｅｏｆｃｏｌ￣ｌｉｓｉｏｎ.Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｖｅｓｓｅｌｂｏｗａｆｔｅｒｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｅｓｄｒｏｐｐｅｄ.Ｔｈｅａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｈａｓｇｏｏｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄａｍｅｓｏｆｂｒｉｄｇｅａｎｄｖｅｓｓｅｌｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｂｒｉｄｇｅ￣ｖｅｓｓｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｒｉｄｇｅꎻｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｍａｄｅｆｒｏｍｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓꎻｖｅｓ￣ｓｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎꎻｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ

收稿日期:２０１９－０５－２１

基金项目:国家自然科学基金项目(５１７７８２８５)ꎻ江苏省杰出青年基金项目(ＢＫ２０１９００３４)

ＰｒｏｊｅｃｔｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(５１７７８２８５)ꎻＰｒｏｊｅｃｔｏｆＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒＤｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄＹｏｕｎｇＳｃｈｏｌａｒｓｏｆＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ(ＢＫ２０１９００３４)

作者简介:方　海ꎬ教授ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｆａｎｇｈａｉｎｊｕｔ＠１６３.ｃｏｍꎮ研究方向:复合材料结构ꎬ桥梁抗撞与防护ꎮ

武汉鹦鹉洲长江大桥中塔墩防船撞装置研究　　方　海ꎬ王　健ꎬ祝　露ꎬ刘伟庆

２１

１　概　述

４２ｋｍꎮ主桥为三塔四跨钢－混结合梁悬索桥ꎬ大桥主梁跨径布置为(２００＋２×８５０＋２００)ｍꎮ２号墩中塔采用钢－混叠合塔ꎬ叠合面以上为钢结构(高凝土结构(高４６.３ｍ)ꎻ１号墩、３号墩边塔均采用钢中塔横桥向均为门式框架结构ꎬ塔柱横向中心距均１０５.７ｍ)ꎬ顺桥向为倒“Ｙ”形ꎬ叠合面以下为钢筋混筋混凝土结构(高１２６.２ｍ)[１]ꎬ顺桥向为独柱ꎻ边、

鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区ꎬ全长３.

ＧＦＲＰ内、外面层厚度为１０ｍｍꎬ横向和纵向格构腹板ＧＦＲＰ的厚度为８ｍｍꎮ中塔墩筒形防撞装置布置如图１所示ꎮ

为３６ｍꎮ

该桥最高通航水位为＋２６.２０ｍꎬ最低通航水位为＋１０.１６ｍꎬ水位落差达１６.０４ｍꎮ由于１号墩、３号墩边塔靠近岸侧ꎬ在其水位变化范围内的墩身设置了固定式复合材料防撞护舷ꎬ以抵御船舶的擦碰ꎬ避免混凝土局部破损ꎮ而２号墩中塔位于长江双向航道的分隔位置ꎬ具有较高的船撞风险ꎬ需在中塔桥墩处设置可抵御较大撞击能量的防船撞装置ｔ桥墩防撞装置有人工岛级船舶撞击能量)ꎬ以保护桥梁结构安全(５０００、群桩、钢箱等ꎮ针对武汉鹦ꎮ目前的鹉洲长江大桥中塔桥墩的实际情况ꎬ综合考虑水位变化、通航尺度、美观、造价及后期维修便利等多方面因素ꎬ提出了自浮式筒形复合材料防撞装置(以下简称筒形防撞装置)ꎮ筒形防撞装置主要由玻璃纤维增强复合材料ｍｅｒꎬＧＦＲＰ)(Ｇｌａｓｓ－ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙ￣层之间)、聚氨酯泡沫芯材层(内、外层)、格构腹板(布置于内(布置于内、外面层和格、外构腹板之间)以及陶粒体(填充于内层)等结构组成ꎮ该防撞装置可随水位上、下浮动ꎬ不影响大桥的整体美观ꎬ占用通航尺度小ꎬ且维修费用也较低ꎬ已于２０１６年９月安装完毕ꎬ运行状况良好ꎮ

筒形防撞装置可设计性强ꎬ可通过调整其内部的格构厚度、格构间距、填充物等主要参数ꎬ提高其抗撞承载力和吸能性能[２￣４]形防撞装置的破坏模式及防撞效果ꎮ为研究该桥中塔墩筒ꎬ通过改变纵向和横向格构腹板数量ꎬ优化格构布置形式ꎬ制作４个试件ꎬ进行准静态侧压试验ꎬ并通过有限元法对是否设置防撞装置的船桥碰撞过程进行数值模拟ꎮ２　准静态侧压试验２.１　试验设计

该桥中塔墩筒形防撞装置的标准节段外径设计为４.０ｍ、内径为３.０ｍꎬ由于桥墩截面形式不同ꎬ防０.撞节段平面尺寸各不相同８２ｍꎬ纵向格构之间的夹角为ꎮ平直段横向格构间距为２２.５°ꎬ防撞装置的Ｆｉｇ.１Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ图１　中塔墩筒形防撞装置布置

ｆｏｒＣｅｎｔｒａｌｏｆＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＴｏｗｅｒＰｉｅｒ

Ａｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ

为研究内部格构腹板的布置对筒形防撞装置的影响ꎬ通过改变纵、横向格构腹板的数目和间距ꎬ设计了４个缩尺比为１∶８的试件进行准静态侧压试验Ｌ１２￣Ｔ４￣Ｃꎮ试件其中ꎬＤ５００和编表示试件外径为Ｄ５００￣Ｌ１６￣Ｔ５￣Ｃ(号为Ｄ５００￣Ｎ￣Ｃ、Ｄ５００￣Ｌ８￣Ｔ３￣Ｃ、Ｄ５００￣５００以下简称试件ｍｍꎻＮ表示无格构１~４)ꎮ腹板ꎻＣ表示填充陶粒ꎻＬ８表示纵向格构腹板数量为８个ꎻＴ３表示横向格构腹板数量为３个ꎮ４个试件的外径均为ｍｍꎬ距分别为面层厚度为５０００ꎬ１９６ꎬ１３１ꎬ９８２.ｍｍ、４ｍｍꎮ内径为ｍｍꎻ试件４００横向格构间距分别为

１~４ｍｍꎬ的纵向格构间长度为５０００ꎬ２００ꎬ１３３ꎬ１００件的筒形防撞装置结构如图ｍｍꎻ格构厚度均为２.４ｍｍꎮ４个试　分固化后依据　试件采用真空导入工艺２所示ꎮ

[５]制作成型ꎬ待树脂充«纤维增强热固性塑料管平行板外载

性能试验方法»[６]进行准静态侧压试验ꎬ如图３所１示ꎮ试验采用电子万能试验机加载ꎬ最大加载力为２.０００２　试验结果分析ｋＮꎬ加载设置为２ｍｍ/ｍｉｎ连续加载ꎮ２.２.１　破坏模式

根据设计的加载工况对４个试件进行准静态侧压试验ꎮ在试验过程中ꎬ实时观察试件反应ꎬ并在每个工况后对试件进行详细观测ꎮ４个试件的破坏模式如图４所示ꎮ对４个试件的准静态侧压试验进行全程观测可知:

２２

桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０２０ꎬ５０(１)

图２　４个试件的筒形防撞装置结构

Ｆｉｇ.２ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＡｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓＩｎｓｔａｌｌｅｄｏｎＦｏｕｒＳｐｅｃｉｍｅｎｓ

轻微泛白ꎮ而外侧ＧＦＲＰ面层由于泡沫芯材变形较大ꎬ其横向变形大于内面层ꎬ两侧的树脂基体开裂ꎮ填充陶粒在压缩过程中发生少量破碎ꎬ绝大部分完好ꎮ

(２)增设横向格构和纵向格构腹板后ꎬ试件２

产生了斜裂缝ꎬ其他泡沫产生了挤压褶皱ꎮ在压缩过程中ꎬ外面层与泡沫芯材发生剥离ꎬ树脂基体发生开裂ꎬ其中试件４左、右两侧外面层纤维完全撕裂ꎮ内面层发生层间剥离ꎬ树脂基体发生开裂ꎬ面层纤维断裂ꎮ纵向格构发生层间剥离ꎬ底部竖直纵向格构

图３　筒形防撞装置试件准静态侧向压缩试验Ｆｉｇ.３Ｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃＬａｔｅｒａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＴｅｓｔｆｏｒＳｐｅｃｉｍｅｎｓ

ｗｉｔｈＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＡｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ

~４的破坏模式相近ꎮ３个试件的部分泡沫芯材均

２.２.２　荷载~位移曲线

试件的荷载~位移曲线如图５所示ꎬ图中荷载~位移曲线可划分为弹性阶段、下降阶段和强化阶段ꎮ其中ꎬ初始上升段为弹性阶段ꎻ曲线下降段为下降阶段ꎻ下降段后进入强化阶段ꎮ由图５可知:当试件处２０.６０ꎬ１１８.７６ꎬ１４１.６０ꎬ１５９.１２ｋＮꎻ与试件１相于弹性阶段时ꎬ试件１~４的弹性极限荷载分别为比ꎬ试件２~４的弹性极限荷载依次提高４７６.５％、

屈曲破坏ꎮ

　　(１)试件１在准静态侧压过程中ꎬ试件受压向两侧外凸ꎮ由于泡沫芯材刚度较小ꎬ在受压时产生较大的横向变形ꎬ当变形产生的拉应力超过泡沫的抗拉强度时ꎬ芯材在两侧各产生了１条斜向裂缝ꎬ并逐渐发展成为贯穿裂缝ꎮ内侧ＧＦＲＰ面层由于其内部填充陶粒的支撑作用ꎬ未发生较大破坏ꎬ仅出现

图４　试件的破坏模式

Ｆｉｇ.４ＦａｉｌｕｒｅＭｏｄｅｓｏｆＴｅｓｔＳｐｅｃｉｍｅｎｓ

武汉鹦鹉洲长江大桥中塔墩防船撞装置研究　　方　海ꎬ王　健ꎬ祝　露ꎬ刘伟庆

２３

Ｆｉｇ.５Ｌｏａｄ￣Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ图５　试件荷载Ｃｕｒｖｅｓ~位移曲线

ｏｆＴｅｓｔＳｐｅｃｉｍｅｎｓ

５８７.曲线的初始斜率４％和６７２.４％ꎮ试件１~４的初始刚度(ｋＮ提高/ｍｍꎻ)分别为０.４９ꎬ６.３２ꎬ９.２５ꎬ１１.每条５８１１８９.与试件８％、１１相比７８７.ꎬ８％试件和２２~２６３.４的初始刚度依次３％ꎮ结果表明横向和纵向格构腹板间距越小ꎬ构件的弹性极限荷载越大ꎬ初始刚度也越大ꎮ

通过荷载~位移曲线分析还可知:当泡沫芯材产生斜向裂缝、内面层和格构腹板发生层间剥离后ꎬ试件的刚度下降ꎬ其承载力也进入下降阶段ꎮ最后ꎬ因试件逐渐被压实ꎬ内部填充陶粒挤压破碎ꎬ承载力进入行程较长的强化阶段ꎮ试件１由于其本身刚度较小ꎬ陶粒在压缩过程中仅发生少量破碎ꎬ其承载力上升幅度与其他３种试件相比较小ꎮ

根据准静态侧压试验结果可知ꎬ随着纵、横向格构腹板数目的增加ꎬ试件的弹性极限荷载和初始刚度显著增加ꎻ在试件被压实后ꎬ内部填充陶粒挤压破碎ꎬ试件的承载力能进入行程较长的强化阶段ꎮ因此ꎬ选取试件４的尺寸与内部格构布置作为鹦鹉洲长江大桥中塔防撞装置的设计参照ꎬ即纵向设置１６道格构腹板、横向设置５道格构腹板ꎮ３　船桥碰撞数值模拟分析３.１　有限元模拟

为研究筒形防撞装置的防撞效果ꎬ采用有限元软件ＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ建立船舶、防撞装置及桥塔墩的有限元模型ꎬ对有无、防撞装置２种工况下ꎬ遭受５０００ｔ级船舶正撞的船桥碰撞过程进行数值模拟ꎮ有、无防撞装置的船桥碰撞模型如图６所示ꎮ筒形防撞装置(１)根据试件、船舶及桥墩的有限元模拟过程如下４的结构建立１∶８的筒形防撞

:装置有限元模型ꎮ筒形防撞装置模型中的ＧＦＲＰ结构、格构腹板均采用Ｓｈｅｌｌ１６３壳单元模拟ꎻ聚氨酯泡沫芯材和填充陶粒均采用Ｓｏｌｉｄ１６４实体单元模拟ꎮ

Ｆｉｇ.６图Ｖｅｓｓｅｌ￣Ｂｒｉｄｇｅ６　有、无防撞装置的船桥碰撞模型

ｗｉｔｈｏｕｔＡｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎＣｏｌｌｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌｓＤｅｖｉｃｅ

ｗｉｔｈａｎｄ

ＧＦＲＰＣｏｍｐｏｓｉｔｅ材料采用正交各向异性的复合材料损伤模型ＣｈａｎｇＤａｍａｇｅＭｏｄｅｌ模拟ꎬ该模型采用Ｃｈａｎｇ￣

碎泡沫模型失效准则[７]Ｃｒｕｓｈａｂｌｅꎻ聚氨酯泡沫和陶粒均采用可压ＦｏａｍＭｏｄｅｌ模拟ꎮＧＦＲＰ材料的密度００ＧＧＰａꎬＥρ为１.８ｇ/ｃｍ３ꎻ杨氏模量ＥＸ、ＥＹ均为２０.

Ｚ为６.６７ＧＰａꎻ剪切模量ＧＸＹ为２.５０ＧＰａꎬ０.ＸＺ、ＧＹＺ为１.２５ＧＰａꎻ泊松比μＸＹ为０.１５ꎬμＸＺ、μＹＺ为

５５.１０ꎻ向压缩强度００体积模量ＭＰａꎻ长轴拉伸强度Ｋ为４.００ＧＰａꎻＹＸｔ面内剪切强度Ｓｃ为ｃ均为３２２.９０ＭＰａꎻ、横向拉伸强度非线性剪切应力Ｙｔ、横参数ｃｍα为粒的密度弹性模量０.３ꎮρ为Ｅ０.为聚氨酯泡沫的密度５６２.ｇ/４８ｃｍＭＰａ、３、弹性模量泊松比ρＥμ为为为０.１５０.３ꎮ０４ｇＭＰａ、陶/３、泊松比元模拟(２)μ为ꎻ船舶中后部由于未发生变形船舶模型中的船艏结构采用０.１ꎮ

ꎬ仅提供刚度和Ｓｈｅｌｌ１６３壳单质量的影响ꎬ采用刚性壳单元简化模拟ꎮ船艏材料模型采用随动硬化模型ＰｌａｓｔｉｃＫｉｎｅｍａｔｉｃＭｏｄｅｌ模拟ꎬ材料属性采用改进后的ꎬ船艏钢材的屈服应力Ｃｏｗｐｅｒ￣Ｓｙｍｏｎｄｓ硬化参数σ本构方程[８￣１０]γ为３１０ＭＰａꎬ切线模量Ｅｔａｎ为７６３ＭＰａꎬβ为０ꎬ应变率参数Ｃ为４０、Ｐ为５ꎬ失效应变εｆ为０.３５ꎮ

元模拟(３)ꎮ中塔墩承台及桩基础采用桩基础覆盖淤泥较深ꎬ故取冲刷线下Ｓｏｌｉｄ１６４实体单

４倍３桩径处的位置进行固结处理.２　船桥碰撞有限元分析ꎮ

为提高船桥碰撞数值模拟的准确性ꎬ首先对筒形防撞装置的准静态侧压试验进行数值模拟ꎮ结果表明ꎬ有限元理论值与实测值较为接近ꎮ在准静态侧压试验有限元模拟与试验曲线接近的前提下ꎬ对有、无防撞装置的船桥碰撞过程进行数值模拟ꎮ

对船桥碰撞后的船舶变形进行分析可知:当船舶与中塔墩碰撞后ꎬ未设置防撞装置时ꎬ船艏尖完全陷入船艏内部ꎬ球鼻艏中部产生较大凹陷ꎻ设置防撞装置时ꎬ船艏尖部分陷入船艏内部ꎬ同时球鼻艏中部

２４

桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０２０ꎬ５０(１)

只产生较小凹陷ꎮ有、无防撞装置时ꎬ船舶与中塔墩碰撞后的船头应力分布结果如图７所示ꎮ由图７可５８５.９ＭＰａꎬ位于球鼻艏上部ꎻ设置防撞装置时ꎬ船知:未设置防撞装置时ꎬ船艏变形产生的最大应力为

艏变形产生的最大应力为４６４.１ＭＰａꎬ位于球鼻艏的上部船艏钢板处ꎮ与未设置防撞装置相比ꎬ设置防撞装置后ꎬ船艏尖和球鼻艏撞击变形明显减少ꎬ最８％ꎮ说明设置防撞装置后ꎬ可有效降低碰撞过程船舶的损伤ꎬ起到保护船舶的作用ꎮ

通过筒形防撞装置的变形分析可知:筒形防撞装置在承受船舶撞击后ꎬ外面层与内面层ＧＦＲＰ产生弯曲变形ꎬ外面层与船艏尖相撞部位发生破裂ꎻ横向与纵向格构腹板在撞击处屈曲破坏ꎻ聚氨酯泡沫和陶粒在撞击后向内凹陷ꎮ船舶与中塔墩碰撞后ꎬ筒形防撞装置部分结构变形如图８所示ꎮ

大应力由５８５.９ＭＰａ减少为４６４.１ＭＰａꎬ减少了２０.

图７　船艏应力分布

Ｆｉｇ.７ＳｔｒｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＳｈｉｐＢｏｗ

图８　筒形防撞装置部分结构变形

Ｆｉｇ.８ＬｏｃａｌＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＡｎｔｉ￣ｃｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ

　　对有、无防撞装置时的船舶撞击力时程曲线进装置时ꎬ中塔墩下塔柱承受的最大船舶撞击力为

面层树脂发白开裂ꎬ泡沫产生斜向剪切裂缝ꎮ增设格构后ꎬ破坏模式变为内面层层间剥离ꎬ面层纤维断裂ꎻ外面层与泡沫剥离ꎬ面层纤维断裂ꎻ纵向格构层间剥离ꎬ并产生屈曲破坏ꎮ随着格构数目的增多ꎬ有格构防撞装置的侧向极限荷载相比无格构防撞装置依次提高４７６.５％、５８７.４％和６７２.４％ꎮ

(２)减小格构间距后ꎬ防撞装置的弹性极限承

行对比ꎬ结果如图９所示ꎮ由图９可知:未设置防撞３５.４５ＭＮꎬ船舶撞击桥墩时间为１.８０ｓꎻ设置防撞装置后ꎬ最大船舶撞击力为２７.９７ＭＮꎬ船舶撞击桥墩时间为２.２５ｓꎮ与未设置防撞装置相比ꎬ设置防２１.１％ꎻ撞击时间增加了０.４５ｓꎬ延长了２５.０％ꎮ说明设置防撞装置后ꎬ可以有效降低碰撞过程中桥墩的损伤ꎬ起到保护桥墩的作用ꎮ４　结　论

撞装置后ꎬ船舶撞击力下降了７.４８ＭＮꎬ下降了

载力和初始刚度显著提高ꎮ选取试件Ｄ５００￣Ｌ１６￣Ｔ５￣Ｃ(试件４)的尺寸与内部格构布置作为鹦鹉洲长江大桥中塔墩防撞装置的设计参照ꎮ

(３)中塔墩设置筒形复合材料防撞装置后ꎬ船

(１)无格构防撞装置的破坏模式主要为内、外

舶撞击力下降了２１.１％ꎬ撞击时间延长了２５.０％ꎮ２０.８％ꎮ该防撞装置具有良好的防撞保护效果ꎬ有效降低了船桥撞击过程中桥梁和船舶的损伤ꎮ同时ꎬ船艏结构撞击变形明显减少ꎬ应力降低了

参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):

[１]　李翠霞.武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计[Ｊ].桥梁建

设ꎬ２０１４ꎬ４４(５):９４－９８.

(ＬＩＣｕｉ￣ｘｉａ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｏｗｅｒｓｏｆＹｉｎｇｗｕｚｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇ

图９　船舶撞击力时程曲线

Ｆｉｇ.９Ｔｉｍｅ￣ｈｉｓｔｏｒｙＣｕｒｖｅｓｏｆＶｅｓｓｅｌＣｏｌｌｉｓｉｏｎＦｏｒｃｅ

４４(５):９４－９８.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

ＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅｉｎＷｕｈａｎ[Ｊ].ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬ２０１４ꎬ

武汉鹦鹉洲长江大桥中塔墩防船撞装置研究　　方　海ꎬ王　健ꎬ祝　露ꎬ刘伟庆[２]　周　辉ꎬ刘伟庆ꎬ万　里ꎬ等.格构增强复合材料圆筒

３４(２):２７４－２７９.

２５

的侧向压缩性能[Ｊ].材料科学与工程学报ꎬ２０１６ꎬ(ＺＨＯＵＨｕｉꎬＬＩＵＷｅｉ￣ｑｉｎｇꎬＷＡＮＬｉꎬｅｔａｌ.ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｗｉｔｈＧＦＲＰＬａｔｔｉｃｅｓｕｎｄｅｒＣｏｍ￣ｐｒｅｓｓｉｏｎＬｏａｄｉｎｇ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１６ꎬ３４(２):２７４－２７９.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

[１０]　ＷａｎＹＬꎬＺｈｕＬꎬＦａｎｇＨꎬｅｔａｌ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅｓｔｉｎｇ

ａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆＳｈｉｐＩｍｐａｃｔｏｎＡｘｉａｌｌｙＬｏａｄｅｄＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＰｉｅｒｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１２５:２４６－２６２.

１２－１７.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

ＳｔａｙｅｄＢｒｉｄｇｅ[Ｊ].ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬ２０１６ꎬ４６(５):

[３]　ＮｉｋｎｅｊａｄＡꎬＥｌａｈｉＳＡꎬＬｉａｇｈａｔＧＨ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎ￣

ｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＬａｔｅｒａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅＦｏａｍ￣Ｆｉｌｌｅｄ

３４.

ＣｉｒｃｕｌａｒＴｕｂｅｓ[Ｊ].Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎꎬ２０１２ꎬ３６:２４－

ＺｈｕｏｆｔｅｍＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＬꎬＬｉｕＷｉｔｅｓｆｏｒＰａｒｔＢｒｉｄｇｅＦｏａｍ￣ＦｉｌｌｅｄＱꎬＦａｎｇＨꎬＢ:ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＬａｔｔｉｃｅｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ

２０１９ꎬＳｈｉｐ１５７:Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＢｕｍｐｅｒ２４－３５.

Ｃｏｍｐｏｓ￣Ｓｙｓ￣张富宾层梁弯ꎬ曲刘伟庆力学ꎬ性齐玉军能影ꎬ响等[.Ｊ].芯材密度对复合材料夹

玻璃钢/复合材料ꎬ

２０１６(ＺＨＡＮＧ(３):１３ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＦｕ￣ｂｉｎꎬ－１７.

ＲｅｓｅａｒｃｈＬＩＵｏｎＷｅｉ￣ｑｉｎｇꎬＦｌｅｘｕｒａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＱＩＹｕ￣ｊｕｎꎬｏｆｅｔＳａｎｄｗｉｃｈ

ａｌ.Ｅｘ￣Ｂｅａｍｓｆｏｒｃｅｄｎｅｓｅ)

ＰｌａｓｔｉｃｓｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔ/ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＣｏｒｅ２０１６(３):Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ[Ｊ１３].－Ｆｉｂｅｒ１７.ｉｎＲｅｉｎ￣Ｃｈｉ￣ＧＢ载性能试验方法/Ｔ５３５２－２００５ꎬ[Ｓ].

纤维增强热固性塑料管平行板外

(ＧＢｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ/Ｔ５３５２￣２００５ꎬＰｉｐｅ￣ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＦｉｂｅｒ￣ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＴｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇＰｌａｓ￣ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙＰａｒａｌｌｅｌ￣ＰｌａｔｅＬｏａｄｉｎｇ[Ｓ].ｆｏｒＥｘｔｅｒｎａｌ)

Ｌｏａｄｉｎｇ辛士红数值模拟研究.纤维增强树脂基复合材料层合板抗侵彻性能

(博士学位论文)[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１５.

(ＸＩＮｓｉｓｔａｎｃｅＳｈｉ￣ｈｏｎｇ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＰｅｎｅｔｒａｔｉｏｎＲｅ￣ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ)ｏｆＦｉｂｅｒｏｆ[ＣｈｉｎａꎬＤＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄ].Ｈｅｆｅｉ:Ｐｌａｓｔｉｃ２０１５.ｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＬａｍｉｎａｔｅｓＣｈｉｎｅｓｅ)ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ(Ｄｏｃｔｏｒａｔｅａｎｄ刘伟庆数值模拟与复合材料防撞系统设计ꎬ方　海ꎬ祝　露ꎬ等.润扬长江公路大桥船撞

[Ｊ].玻璃钢/复合材料ꎬ２０１４(１２):５－１２.

(ＬＩＵＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＷｅｉ￣ｑｉｎｇꎬｓｉｏｎａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＦＡＮＧＨａｉꎬＤｅｓｉｇｎＺＨＵｏｎＬｕꎬＣｏｍｐｏｓｉｔｅｅｔａｌ.Ａｎｔｉ￣Ｃｏｌｌｉ￣Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ(１２):Ｂｒｉｄｇｅ[Ｓｙｓｔｅｍ５Ｊ].ＦｉｂｅｒｏｎＲｕｎｙａｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｈａｎｇｊｉａｎｇＰｌａｓｔｉｃｓ/ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＲｉｖｅｒＨｉｇｈｗａｙ－１２.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

２０１４

王建国数值模拟ꎬ陈[Ｊ].　涛桥梁建设.船舶与大跨度斜拉桥碰撞的有限元

ꎬ２０１６ꎬ４６(５):１２－１７.(ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＷＡＮＧＪｉａｎ￣ｇｕｏꎬｏｆＣｏｌｌｉｄｉｎｇＣＨＥＮｏｆＴａｏ.ＶｅｓｓｅｌＦｉｎｉｔｅｗｉｔｈＥｌｅｍｅｎｔＬｏｎｇＳｐａｎＮｕｍｅｒｉｃａｌＣａｂｌｅ￣

ＦＡＮＧＨａｉ

ＷＡＮＧＪｉａｎ

ＺＨＵＬｕ

ＬＩＵＷｅｉ￣ｑｉｎｇ

方１９８１　海

２００３－ꎬ男ꎬ教授

工程专业年毕业于北京交通大学土木ꎬ工学学士ꎬ２００５年毕业于南京工业大学结构工程专业ꎬ工学硕士ꎬ２００８年毕业于南京工业大学土木材料与工程专业ꎬ工学博士ꎮ研究方向:复合材料结构ꎬ桥梁抗撞与防护

Ｅ￣ｍａｉｌ:ｆａｎｇｈａｉｎｊｕｔ＠１６３.ｃｏｍ王１９９３　健

２０１５－ꎬ男ꎬ助理工程师

工程专业年毕业于南京工程学院建筑ꎬ工学学士ꎬ２０１９年毕业于南京工业大学建筑与土木工程专业ꎬ工程硕士ꎮ研究方向:桥梁抗撞与防护

Ｅ￣ｍａｉｌ:１８３６２０８３２０２＠１６３.ｃｏｍ

祝１９８７　露

２００８－工程专业年毕业于南京工程学院土木ꎬ女ꎬ助理研究员

ꎬ工学学士ꎬ２０１１年毕业于南京工业大学防灾减灾工程及防护工程专业ꎬ工学硕士ꎮ研究方向:复合材料结构Ｅ￣ｍａｉｌ:ｚｈｕｌｕｘｕｅｘｉ０８＠ꎬ桥梁抗撞与防护１６３.ｃｏｍ

刘伟庆

１９６４１９８５－ꎬ男ꎬ教授

工民建专业年毕业于南京建筑工程学院ꎬ工学学士ꎬ１９８８年毕业于东南大学结构工程专业ꎬ工学硕士ꎬ１９９５年毕业于东南大学结构工程专业ꎬ工学博士ꎮ研究方向:结构抗震控制Ｅ￣ｍａｉｌ:ｗｑｌｉｕ＠ꎬ复合材料结构ｎｊｔｅｃｈ.ｅｄｕ.ｃｎ

(编辑:王　娣)

[４]　[５]　[６]　[７]　[８]　[９]