摘 要

船-桥碰撞事故不仅会导致船舶结构损伤，造成桥梁损毁或倒塌等灾难性后果，还可能造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失以及环境危害。对船桥碰撞力的准确分析，不仅可以合理设计出桥梁防撞值，还保证桥梁在使用过程中的安全性，对工程的实际情况具有较大的意义。本文探讨桩土之间相互作用对桥梁船撞力的影响，根据结果建议较为合理的桩土相互作用模拟方式。

首先，本文采用Ls-Dyna有限元软件建立简化模型，分别探讨了不同因素对碰撞力峰值、碰撞时间和位移的影响。再采取不同方法计算等效静力，进一步研究不同桩土作用模拟方法的区别，分析不同方法的合理性。最后，本文使用较为合理的模拟方法建立船桥碰撞实例模型，探讨不同桩土模拟方法对碰撞结果中的碰撞力峰值、等效静力和最大位移大小的实际影响。根据实例模型的结果，本文给出不同情况下的应当选取的模型建议，以便于减少建模和计算的工作量，并提高结果的准确性。

关键字：船桥碰撞；数值仿真；夹层板；防撞套箱；耐撞性；

Abstract

Ship-to-bridge collision accidents not only result in damage to the structure of the ship, causing catastrophic consequences such as damage or collapse of the bridge, but also serious casualties and huge damage to property and the environment. The accurate analysis of the collision force can not only reasonably design the collision prevention value of the bridge, but also ensure the safety of the bridge in use, which is of great significance to the actual situation of the project. This paper discusses the effect of pile-soil interaction and suggests a reasonable simulation method by the results.

Firstly, Ls-Dyna finite element software was used to establish a simplified model, and the effects of different factors on the peak of collision force, collision time and displacement were discussed respectively. Then different methods were adopted to calculate the equivalent static force. This paper further studied the difference between different simulation methods of pile-soil interaction and analyzed the rationality of different methods. Finally, ship-bridge collision example models were established by reasonable simulation methods. The models were established to discuss the actual influence of different pile-soil simulation methods on the collision force peak value, equivalent static force and maximum displacement in the collision results. According to the results of the example model, this paper gives suggestions on the models that should be selected in different situations, so as to reduce the workload of modeling and calculation and improve the accuracy of the results.

Key Words:Ship-bridge collision; numerical simulation; pile-soil interaction; equivalent static force;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究的背景 1

1.1.2 研究的意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 4

第2章 不同桩土模型有限元分析 6

2.1 桩土相互作用有限元实现法 6

2.1.1 嵌固法 6

2.1.2 集总参数法 6

2.1.3 有限域土体法 6

2.2 嵌固法有限元模型研究 7

2.2.1 嵌固法碰撞模型 7

2.2.2 “嵌固端”深度对碰撞结果影响 8

2.2.3 “径长比”对碰撞结果影响 12

2.3 集总参数法有限元模型研究 13

2.3.1 集总参数法碰撞模型 13

2.3.2 m值对碰撞结果影响 14

2.3.3 土弹簧布置密度对碰撞结果影响 16

2.4 本章小结 17

第3章 瞬态碰撞力的静力等效 18

3.1 引言 18

3.2 等效静力 18

3.2.1 全局平均法 18

3.2.2 局部平均法 19

3.2.3 位移法 21

3.3 静力等效分析 23

3.4 本章小结 23

第4章 船桥碰撞数值仿真分析 25

4.1 引言 25

4.2 船桥有限元模型 25

4.2.1 船舶有限元模型 25

4.2.2 桥墩有限元模型 26

4.2.3 材料选择 27

4.2.4 计算模型 28

4.3 数值仿真结果 28

4.3.1 嵌固法仿真 28

4.3.2 集总参数法 31

4.3.3 碰撞实例分析 32

4.4 本章小结 32

第5章 总结 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究的背景

近年来，随着经济和科学技术水平的不断提高，交通运输业不断发展，船舶数量一直在增长，航速不断变快，排水量不断变大。同时，公路和铁路里程也在不断飞速增长的过程当中。在建设过程中，由于江河、海峡、峡谷等众多特殊地形的存在，桥梁的架设成为面对这些的明智选择，这些开启了跨江和跨海桥梁的建设新阶段。根据统计的数据，处于通航河道的桥梁数目大约是总数的十分之一^[1]。随着水域运输的快速发展，桥梁已经成为船舶在航道通航的一种障碍。桥梁的建设一方面会一定程度上缩窄了航道的宽度，另一方面较大程度影响桥梁所在区域的通航条件^[2]。桥梁和水上交通的发展，使得因船桥碰撞导致的事故数量不断增长，运输安全问题日益严重。目前，人们关于船舶与桥梁碰撞问题的关注不断增长。

很早以前，人们就在桥梁设计中就考虑到了船舶碰撞的影响，但由于桥梁抗碰撞能力的不足或船舶碰撞力超过限定值，桥梁损坏或倒塌事件有时候还是会发生，这些破坏环境严重影响社会环境。世界上船桥碰撞事故数目相当多，现列举碰撞后果较为严重事件：

（1）1960年，阿尔摩桥建成通车。这座桥主跨使用的是钢管拱，跨度长达278m，总长度在532m左右。 1980年，荷兰的一艘重量超千吨级货轮撞上这座大桥的基座，倒塌的上部结构掉落在货轮上，超过十人因此而丧生。截至碰撞事件，该桥仅仅使用了20年左右时间。

（2）1964年，整桥长度长达28公里切萨皮克湾隧道桥建成。由于设计中考虑不周全，没有考虑到船舶的碰撞影响，这座桥在建成后经历了多起碰撞事故后损坏相当严重。在多次较大的碰撞事故中，该桥多跨被破坏，并且损坏严重。

（3）位于美国的阳光大桥。这座桥梁横跨坦帕湾入口，全长6840m左右。1980年5月，一艘重量将近两万吨的散货轮撞上了这座桥的主要桥墩，导致桥墩的桩基和上部的部分结构受损严重，因此死亡的人数在35人左右。

（4）1983年6月，前苏联一客轮在行驶跨过一座铁路桥梁时，因为船长错误选择从边跨通过，但是边跨的通航净空不足，客轮上甲板室因此与桥梁上部结构相撞，死亡人数高达176人。

（5）1984年6月，伏尔加河铁路桥因一艘客船撞上而坍塌。随后，一辆经过该桥客车的四节车厢掉进水中，超过240人因此死亡，从死亡人数来看，此次事件无疑是相当严重的船撞桥事故。

（6）在1993年，因为能见度见底的恶劣天气，一个拖驳船队驶入错误航道，与贝尤卡诺特CSX铁路大桥发生严重碰撞，此次碰撞导致桥梁结构产生了较大位移。碰撞的几分钟后，一辆列车行驶经过桥上，这座桥立马倒塌，列车因此而出轨，从而造成47人死亡。

（7）在2002年，一个驳船队因为意外撞上了州际公路上的阿肯色河桥。17辆左右汽车因此立马坠入河中，其中的5人获救，此次碰撞事件导致17人死亡。碰撞时，阿肯色河公路桥距离建成使用只有三十五年。

俄克拉何马州和阿肯色州由阿肯色河公路桥连接，桥梁的地位相当重要。停运一天该公路，将会导致大约43万美元的损失，大约需要63天修理这座桥，因停运该公路而导致的经济损失超过2000万美元，维修这座桥的费用高达1000万美元左右，从这两个数据可以看出损失是十分巨大的^[3]。

（8）2007年6月，一艘运沙船撞上九江大桥。超过200米桥面因为碰撞而坍塌，随后坠入江中。此次船舶碰撞桥梁事故中，4辆汽车掉入江中，共计9人因为此次碰撞事件失踪。

（9）2007年8月，一艘货船因为避让其他船只而撞上大洋桥桥墩，碰撞导致大桥的桥面部分倒塌，不仅如此，还有一名船员因为此次事故受伤，两人失踪。

（10）2008年3月27日，当时的金塘大桥还正在建设，船舶碰撞上该桥发生事故，此次事故中有4名船员失踪，部分桥面箱梁倒塌。

（11）2010年3月，一艘货船在和上海市大治河桥发生碰撞后沉入河中，周边水路和陆路交通因桥面坍塌受到极大影响，船舶因为此次碰撞造成的后果而没有办法通行。

根据以上的船舶撞击桥梁事件造成的影响，不难发现这类事故造成的后果极其严重，人员伤亡数目较大，同时经济上会遭受巨大损失。最近几年时间，世界上各国对于此类问题的关注不断增加。

1.1.2 研究的意义

船舶撞击桥梁事故数目不断在增加，此类事件导致的后果也不断变严重，因此越来越多的人开始重视和关注该问题。船舶和桥梁碰撞是一个相当复杂的问题，因为它包含了多门学科。同时，在船舶和桥梁碰撞的过程当中，除了船舶撞击时的运动状态外，还存在着许多复杂的现象。

但是，目前各个国家的桥梁船撞力的规范都是以经验为依据提出来的，存在相当大的局限性。我国此方面也存在着较大问题，关于桥梁防撞的大量的措施被相关的安全保障部门采取了，但是，重视程度却相当不理想。同时，国内外现有关于桥梁船撞力的计算规范虽然较多，但不同国家水域同行环境不一样，导致计算结果偏差较大。而且，在相关的设计规范中，根据有关的条款设计出的桥梁船撞力数值过低，基本不会影响到桥梁设计过程，这与真正船舶撞击桥梁时的情况相差较大。我国影响船舶航行的桥梁数目不断变大和航运事业的快速发展，尤其是随着两岸之间桥梁数目在不断增加，船舶与桥梁之间的冲突日益突出，桥梁防撞的重要性逐渐显现，我国的桥梁工程师们急切需要开展更加深入研究并解决这一问题。

世界各国的专家对船舶和桥梁碰撞问题开展了大量的研究工作，针对船舶和桥梁碰撞问题，在有限元仿真数值模拟过程中，大量的研究工作集中在船舶的细化，但是，研究者们忽视了对桥墩非线性响应的研究^[4]。由于船舶撞击桥梁问题的复杂性，多数的研究中为简化计算，多将桥梁视为刚性结构，对碰撞过程中桥梁响应及桩土相互作用的重视程度不高，这将导致桥梁船撞力确定的不准确性。无法对桥梁船撞力的进行准确的分析，将导致桥梁防撞设计标准的不合理性。通过不同方法模拟桩土之间的相互作用，讨论不同桩土作用模拟方法对数值仿真结果的影响，得出较为合理的桩土耦合模型。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

20世纪60年代时，国外专家开始研究船舶与桥梁碰撞理论。

在1959年，美国的米诺斯基^[5]通过对大量船舶和船舶碰撞事故的统计分析结果，提出了米诺斯基曲线，该曲线表明的是变形的刚体积和吸收的冲击能之间的一种线性关系。借鉴此研究成果，学者沃辛富并进一步发展了该理论，随后将成果运用在船舶和桥墩之间的碰撞。

之后，汉斯和德鲁彻教授^[6]为防止桥梁被船舶碰撞进行相关研究，将该问题等价成为一个弹簧质量体系，且根据此得出各种较为重要的结果。

在1965年召开的“国际桥梁结构工程会议”上^[7]，Chr.Ostenfeld在会上作了全面的报告，此次报告包含了他特地调查研究的从1956年开始的船舶碰撞桥梁的情况。

自上个世纪80年代以来，国际桥梁结构和结构工程协会一直在系统性的研究船舶和桥梁碰撞的问题。耗时近5年，国际上的一个工作组建立起超过150起的重大船舶和桥梁碰撞事故的数据库^[8]。该数据库包含了多个国家的船舶撞击桥梁事故。1983年，国际桥梁与结构工程协会在一次国际会议上也对该问题进行了充分而系统的探讨^[9]。

1991年，美国道路工程师协会出版了《船舶碰撞公路桥梁设计指南》，表明国外的有关人员当时已经充分关注到船舶撞击桥梁问题，该指南针对船桥碰撞中的多种问题。1994年，美国的《公路桥梁设计规范》收录了该指南的核心条款。

现在，国外关于船舶撞击桥梁这方面的问题研究取得了很多成果。

1.2.2 国内研究现状

相比国外，国内学者对于船舶与桥梁碰撞碰撞的研究的起步较晚，从1990年以来，投身于船舶与桥梁碰撞问题研究的学者不断变多。

胡志强^[10]等人研究船舶与桥梁之间的碰撞问题后，分析和处理了有关的数据，获得了构件的吸能特征和损伤方式。

陈国虞等人在国内首次提出了采取柔性方式耗能的防船舶碰撞装置，他们采用了有限元仿真和模型试验结合的方法。此装置可以综合有效保护碰撞过程中各个构件。

郑际嘉^[11]等人研究刚性的垂直船舷与舷侧的结构的碰撞，采用关系曲线的方式表达研究成果，分别表达了舷侧结构的吸收能量和最大承载能力之间的联系以及碰撞力与贯入量之间的关系。

陈楚珍^[12]等人研究了船队与桥墩碰撞时的能量情况，他们选择了通过定量分析的方式，并根据分析的结果提出了能量折减系数的概念。

对于船舶与桥梁碰撞问题，我国也提出了有关的规范。在1999年，我国发布了《铁路桥涵设计基本规范》，在规范中给出了桥墩墩台承受船只和竹筏碰撞力的计算公式，但计算公式的方法相当简单，难以确定公式中部分系数值的大小；在2004年，我国发布了《公路桥涵设计通用规范》，规范中将船舶碰撞作为偶然荷载提出，同时考虑了碰撞的船舶类型、吨位、航道等级等多种情况。

现在，我国的船舶撞击桥梁设计规范已经有一定的成果，但仍不完善，还需要继续对船桥碰撞理论进行全面的研究，以便于以后可以有较为系统的技术标准和规范来指导。

1.3 本文的主要研究内容

因为船舶撞击桥梁碰撞问题是一个相当复杂的动力学问题，并且此问题包含多种非线性情况，所以很难通过数值解法得到精确的结果。另外，采用实验虽然与实际情况接近，但是，此方法的成本较高，并且难以进行实际操作。因此，随着计算机软件飞速发展，数值仿真模拟分析方法无疑成为一种相对可行并且被人们关注的方法。多方面的因素决定数值仿真结果的可靠性，需要对各种参数进行准确定位。对船舶碰撞桥梁的研究主要集中在防撞理念、船撞风险、船撞机理等方面的研究，随着有限元理论的发展以及计算机计算能力的提高，越来越多的人使用有限元进行船撞桥的数值模拟，但是大部分学者建立的船舶撞击桥梁的有限元模型都较为简化，主要是模拟船舶碰撞刚性墙、碰撞简化的全桥模型，对船舶碰撞桥墩模型中桥墩受力、变形以及船舶变形等方面研究较少。因此，本文将利用ANSYS/LS-DYNA，完成船桥碰撞有限元模型的建立和数值仿真计算，研究的内容主要如下：

①探讨桩土之间作用的不同模拟方法，选择不同方法模拟桩土之间相互作用。

②建立简化模型，分析每种模型下不同因素对于碰撞结果的影响，对比分析不同方法下的碰撞力峰值和位移响应。

③选取模型进行进一步对比分析，通过不同等效静力方法的结果探讨，分析不同嵌固端深度的合理性。

④选用较为合理的桩土模型下，建立船桥碰撞实例模型，得出相应不同桩土模型下碰撞力时程曲线、位移时程曲线和等效静力，分析不同桩土模型的合理性。

第2章 不同桩土模型有限元分析

2.1 桩土相互作用有限元实现法

在船舶碰撞桥墩时，土体对桩结构的作用远不止表现为土体对桩基的弹性拉压作用。一方面，表层土会进入明显的非线性状态；另一方面，土体作为支承介质承受动、静荷载作用之外还要作为波的传播介质^[13]。在船舶碰撞作用下，精确地描述桩土之间相互作用并不是一件简单容易的事情，主要有嵌固法、集总参数法、有限域土体模拟。本章将采用前两种桩土相互作用实现方法模拟碰撞过程，从能量曲线、碰撞力曲线和位移曲线考虑各种参数对碰撞的影响。

2.1.1 嵌固法

嵌固法是指桥梁桩基部分在河床的局部冲刷线或者是河床淤泥层以下某一位置处直接固定约束，固定约束位置以上不考虑土体的效应。桩基固结处离桩顶的深度受到土体的物理力学性质、桩基础的形式以及桥墩所受的荷载速率等因素的影响。而目前大多数分析中运用该方法考虑桥梁桩基与土体相互作用是参考海洋工程中计算平台桩土作用简化而来，且通常情况下以桩径的一定倍数长度作为等效桩的长度。嵌固法模型是一个简化的较为粗糙的经验模型，除有特殊精度要求以外的大部分工程计算及研究都能很好的适用，同时由于其对桩土作用的简化处理大大的节省了计算分析中所消耗的时间，因此广泛应用于桥梁船撞作用中对桥梁桩基与土体的相互作用的处理。

2.1.2 集总参数法

集总参数法是把桩基础周围的土体依据刚度等效为土弹簧，而等效后的土弹簧一端固定，一端连接桩基。该方法是基于“m 法简化分析方法”演化而来，同时又可以很好的体现桩土之间的相互作用。“m 法简化分析方法”是指根据我国交通部颁发的《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）^[14]，附录 P：按 m 法法计算弹性桩水平位移及作用效应章节来确定桩基不同深度位置处各土层的对桩基的约束刚度，而不同土层深度对桩基的水平作用效应采用不一样的刚度弹簧单元来模拟。由于分析中土体处于动力状态，因此土弹簧的刚度需要乘以一个放大系数^[15]。

2.1.3 有限域土体法

有限域土体法是将桩基和土体均按照实体单元来进行模拟，然后通过面面接触的方式来模拟桩土共同作用的一种分析方法。该方法相对于嵌固法和集总参数法而言能更加真实的模拟了桥梁船撞中桩土之间的相互作用，但由于该方法引入了大量的土体而使得船桥碰撞的有限元模型的单元与节点成倍的增加，进而加大了计算机仿真计算的时间。因此，在没有特殊要求的情况下，大部分学者更多的是采用前面两种方式进行处理。

2.2 嵌固法有限元模型研究

2.2.1 嵌固法碰撞模型

嵌固法碰撞模型采用质量块与空心钢管单桩碰撞模型。质量块使用边长为0.5m的正方体钢块，采用SOLID164单元，以5m/s的速度撞向钢管。钢管模型采用Shell 163单元，“嵌固端”深度中统一采用5mm厚。嵌固法有限元模型如图2.1。钢材选用Plastic Kinematic材料模型模拟，材料参数如表2.1。

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