桥梁FRP防撞浮箱性能研究

桥梁FRP防撞浮箱性能研究

张志雄

林同棪国际工程咨询（中国）有限公司广州分公司  广东省广州市  510320

摘要：近年来桥梁船撞问题越来越受到人们的重视，确保桥梁被船撞之后仍能正常运营是目前研究的一个重要方向，因此研究桥梁的防撞设施就变得非常有必要。本文主要是通过数值仿真分析对桥梁FRP防撞浮箱的性能进行研究，为以后类似工程项目提供参考依据。

关键词：防撞浮箱；数值仿真；FRP

1引言

在20世纪40年代，纤维增强复合材料(FRP)被人们所发现。它是与树脂基体材料经缠绕、模压或拉挤等工艺制作而成的一种复合材料，具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳等特点。正因为这种材料所具备的上述特性，大大提高了产品后期耐久性能，与传统钢套箱后期涂装维护周期以及橡胶材料寿命比较，该产品能使其保养寿命延长，后期保养费用也能得到较大程度的降低，从而获得较好的经济效益，这也是近年来FRP防撞浮箱在工程上得到广泛应用的主要原因。

2工程概况

本桥位于重庆市内，南起渝中区石板坡，北止五里店。主桥上部结构为五跨预应力混凝土连续刚构，主桥下部结构为四个主墩截面为实心或空心的双肢薄壁墩。为确保桥梁的安全，对船撞风险性最大的2号和3号主墩，采用FRP防撞浮箱作为被动防撞设施对其进行保护。当桥墩受到船舶撞击时，通过FRP浮箱消能后传到桥墩上的力，比桥墩自身的抵抗能力要小，从而确保桥墩和整个桥体结构的安全。

FRP桥墩防撞浮箱主要是由外围箱体结构和附着于外围箱体结构内壁板上的内衬八边形柱壳构件以及填充在结构内的硬质聚氨酯泡沫组合而成的组合结构。其中，FRP外围箱体结构是浮箱的主承力、消能结构，FRP内衬为八边形柱壳结构，是浮箱的碰撞缓冲结构和支承传力弱化结构，而硬质聚氨酯泡沫主要起到的是缓冲作用。本文将以2号主墩FRP防撞浮箱为例进行研究。

3计算模型

本次的仿真模拟桥墩采用的是实体单元，对发生碰撞区域的桥墩部位采用较小的网格尺寸划分，对非直接碰撞区域的部分采用较大的网格尺寸进行划分，材料为线弹性本构模型，墩底固结。浮箱的箱壳构件与内衬柱壳构件采用板壳单元建模，浮箱内的发泡体采用实体单元建模，浮箱各部分均采用弹性材料本构；船艏采用板壳单元模拟，实际船舶的结构非常复杂，而本文研究的撞击过程是船艏与桥墩的撞击，因此船艏部分按照实际的构件，建立了船艏的外板，加劲肋板，各层甲板以及球鼻艏等主要板材构件，同时船头采用弹塑性材料本构，船尾部分只作提供质量使用故采用刚体材料本构。整体计算模型总计313067个单元。其中有限元模型如图1和图2所示。模型中的材料参数如表1所示。

图1  整体计算模型 图2  防撞浮箱整体模型 

表1 有限元模型中各材料参数表

为了研究清楚FRP防撞浮箱的防撞性能，计算工况设置如下表2所示。

表2 防撞浮箱防撞数值模拟工况汇总表

4计算结果分析

使用大型非线性计算软件LS-DYNA，对船舶碰撞桥墩时的整体碰撞情况进行了受力分析，得到碰撞过程中能量相互转化的曲线如下图3和图4所示，船撞力时程响应曲线如下图5和图6所示。

图3工况一：能量转化时程曲线图图4工况二：能量转化时程曲线图

根据上述能量转化时程曲线图可知，船桥撞击过程中发生的能量交换主要有船舶的动能、系统的内能（变形能）、接触界面滑移能（主要由于摩擦力产生）以及壳单元因为采用单点高斯积分而产生的沙漏能（非物理量）。在船舶撞击桥墩的过程中，整个系统的总能量为船舶碰撞前的动能，在碰撞过程中，船舶的动能、系统的内能、接触界面的滑移能以及积分产生的沙漏能之间相互转化。从图中可以看出，总能量曲线为一条水平的直线，这表明在本次碰撞仿真分析过程中，总能量是守恒的，这也是判断仿真计算结果是否合理的一个前提条件。在船桥撞击过程中，船舶的动能整体呈下降趋势，内能整体呈上升趋势，且这两条能量曲线各时间点的切线斜率及其变化规律相似，这也说明船舶的动能主要被碰撞系统以结构构件变形的方式吸收了。从图3中可以看出，系统动能曲线由初始的船舶动能一直不断减小至一个较小值，而系统内能曲线则是一直增大到一个较大值。从图4中可以看出，系统动能曲线由初始的船舶动能不断减小至一个较小值，然后有一个小幅的增加，最后趋于平稳。系统的内能曲线与船舶的动能曲线的变化趋势正好相反，在碰撞的前期，系统内能从零开始不断增加，在碰撞将要结束之前，系统的内能达到最大值，随后有一个较大幅度的衰减，这主要是因为

防撞浮箱弹性变形储存的弹性变形能开始释放，使船舶获得一个反向的速度，从而使得船舶与桥墩分离开来。在以上两种碰撞工况中，沙漏能占总能量的比例均小于5%，沙漏能得到了很好的控制，计算结果的精度满足工程的需求。

图5  工况一：船撞力时程曲线图图6  工况二：船撞力时程曲线图

从图5和图6 中可以看出，船撞力时程曲线的波动幅度较大，这说明船桥碰撞过程是一个高度非线性问题。在碰撞过程的初期，在较短的时间内船撞力迅速增加，与此同时系统中参与直接碰撞的部分构件由于变形耗能，使船舶速度降低，动能减小，随着船撞过程的继续进行，一部分构件因破坏退出工作，还没有破坏的构件会继续参与碰撞，因此船撞力曲线在整个过程中是不光滑的曲线段，而下降段则意味着构件被破坏，最后船舶会在桥墩的反作用力下与桥墩分离，而碰撞力也迅速衰减。从图5和图6仿真结果可以看出，在工况一中，在撞击发生0.01秒后出现了最大的撞击力为31.1MN；在工况二中，在撞击发生0.76秒后出现了最大的撞击力为7.5MN。从中可以得出，在有FRP防撞浮箱的情况下，船撞力下降了23.6MN，相当于折减了75.9％。同时在有浮箱防护时，船舶撞击作用的时间得到了明显的延长。

5结论

本文以实际工程项目为依托，对FRP防撞浮箱性能进行研究，得到如下结论：

（1）在正撞撞击工况下，有浮箱工况与无浮箱工况相比撞击力折减了75.9%，由此可见该FRP防撞浮箱的消能效果十分显著。

（2）在无浮箱工况中，撞击力很快达到峰值，之后再无其他峰值，但在有浮箱工况中，撞击力峰值显著下降，且峰值的出现时间也推迟了许多，这也很好的体现了FRP浮箱的柔性缓冲效果。

（3）由于FRP防撞浮箱的自重较轻，能随着水位上下浮动，当受到船舶撞击之后也不会下沉，能时时刻刻保护桥墩的安全。

（4）该防撞浮箱能将船舶的船艏与被撞击的桥墩有效的拨开，最大限度的保护了桥墩结构的安全。

（5）该防撞浮箱可根据具体桥墩形式，结合通航情况设计出适合的形状，具有较强的可设计性。同时它的造型美观、绿色环保，颜色可起到警示作用。

参考文献：

[1]尹锡军．船桥碰撞及桥墩防撞设施研究[D]．大连海事大学硕士论文，2009．

[2]王兰彩．纤维增强复合材料(FRP)特性[J]．山西建筑，2011（08）：106-108．