李亮亮　高羽末

摘 要：以江蘇某船閘靠船墩結(jié)構(gòu)實際工程為例，本文研究采用大型有限元分析軟件ABAQUS中的Explicit模塊，建立了船舶、靠船墩及地基土的三維有限元模型，模擬了船舶在不同影響因素條件下撞擊靠船墩的瞬態(tài)過程，得到了不同工況下的撞擊力變化規(guī)律。研究表明：撞擊力與船舶質(zhì)量的0.5次方成正比，與速度的1次方成正比，與撞擊角度近似呈正弦關(guān)系。研究表明：三維有限單元方法可以對船舶撞擊靠船墩的問題進行準確模擬。

關(guān)鍵詞：靠船墩 船舶撞擊力 影響因素 計算公式

靠船墩是船閘結(jié)構(gòu)中供等待過閘的船舶臨時?？克玫闹匾そㄖ?，直接承受船舶?？繒r的反復撞擊作用?？看战Y(jié)構(gòu)的安全將直接影響到船閘的通過能力和船舶通航的安全，有必要對船閘靠船墩撞擊荷載開展深入的研究。

靠船墩在船舶的撞擊作用下將可能發(fā)生不同程度的損壞，如泗陽雙線船閘個別靠船墩整體倒塌等，嚴重影響了正常通航。為合理的設(shè)計靠船墩結(jié)構(gòu)，近年來國內(nèi)學者對船舶撞擊力的取值進行了相關(guān)的研究。大多數(shù)研究將船舶撞擊力作為一個靜力荷載處理。但是船舶的撞擊作用實際上是一種短暫、局部的非線性力，故船舶撞擊力的研究應(yīng)該基于動力分析而開展的研究。

大型有限元分析軟件ABAQUS/Explicit模擬船舶撞擊靠船墩的瞬態(tài)過程，該軟件不僅可以很好的描述船舶與靠船墩接觸前、接觸中以及分離以后的各個時刻的狀態(tài)響應(yīng)，還可以得出撞擊力在撞擊過程各個時刻的變化，功能非常強大。建立三維瞬態(tài)動力模型后，繼而分析撞擊力的影響因素，確定靠船墩撞擊力的合理取值，為船閘靠船墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

數(shù)值模型建立

依據(jù)江蘇某船閘的實際工程結(jié)構(gòu)尺寸來建立有限單元模型，如圖1所示。計算體系由土體、靠船墩和船舶三個部分共同組成，其中土體與靠船墩之間設(shè)置面面接觸；船體與靠船墩之間設(shè)置面面接觸，模型共計65367個節(jié)點54520個單元，各個部分的尺寸如下：

土體：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。

計算結(jié)果驗證

為了驗證計算結(jié)果與實際碰撞力之間的吻合度，本文采用現(xiàn)場實驗結(jié)果進行驗證，現(xiàn)場實驗在鹽邵船閘下游某靠船墩處采用船舶撞擊力動態(tài)測試系統(tǒng)進行了現(xiàn)場碰撞試驗，碰撞力測量裝置和測速桿安裝圖如圖2所示，實驗條件為600t船舶，初速度3.8cm/s，撞擊角度為90°撞擊靠船墩。最終通過儀器測得試驗撞擊力峰值為578.82kN。

依托上述現(xiàn)場試驗資料的靠船墩、通航船舶的實際尺寸，建立有限元模型，通過有限元仿真計算得到最大撞擊力為566.7kN，結(jié)果對比如表1所示。由表中可知，現(xiàn)場試驗與有限元仿真得到的撞擊力值誤差在5%之內(nèi)，結(jié)果表明，本文的有限元模型合理可行。

影響因素分析

影響船舶撞擊力的因素主要包括船舶噸位、船舶樁基初速度以及船舶撞擊角度，因此本節(jié)從這三個方面進行研究。首先，本文研究在90°正向撞擊作用下，初速度和船舶噸位對撞擊力的影響。研究中考慮船舶噸位分別取為100、300、500、1000、2000、3000的情況，并對每一種噸位下考慮撞擊初速度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m/s條件下的平均撞擊力，計算結(jié)果如下表2所示。

計算結(jié)果繪制于圖3中可以看到撞擊力隨著質(zhì)量的變化趨勢以及撞擊力隨著速度的變化趨勢。從圖中可以看到：撞擊力隨著初速度呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系，而撞擊力隨著船舶質(zhì)量呈現(xiàn)一定的非線性關(guān)系。為了使得計算結(jié)果能夠在工程設(shè)計中便于使用，本文采用一定形式的函數(shù)來描述撞擊力隨著質(zhì)量以及初速度的變化規(guī)律。這里假定：

通過對表2中數(shù)據(jù)的回歸可以得到：a1=0.5，a2=1.0是上式的最大似然估計。

同樣的，為了考慮撞擊角度對船舶撞擊力的影響本文計算了15、30、45、60、75、90°下的撞擊力平均值，計算結(jié)果如表3所示。

將表中計算結(jié)果繪制于圖4中可以看到撞擊力隨著撞擊角度的變化趨勢。從圖中可以看到：撞擊力隨著角度呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系，考慮到角度變量的特殊性，本文采用正弦函數(shù)對角度變量進行擬合，擬合得到的結(jié)果如圖4中實線所示，可以看到，正弦函數(shù)基本能夠反應(yīng)角度對撞擊力的影響特性。

由上述分析，本文采用如下形式的函數(shù)來描述撞擊力隨著質(zhì)量、初速度以及撞擊角度的變化規(guī)律：

通過對表2和表3中數(shù)據(jù)的回歸可以得到：是上式的最大似然估計。

結(jié)語

本文采用顯式有限元算法，基于ABAQUS/EXPLICIT軟件，以重力式靠船墩為例對船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中的船舶撞擊力計算荷載的影響因素進行了研究，研究表明：撞擊力與船舶質(zhì)量、撞擊初速度以及撞擊角度三者之間的擬合函數(shù)關(guān)系式為。該公式以及本文所采用的研究方法可以為類似工程提供參考，以及理論基礎(chǔ)。

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（作者單位：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司）endprint