李華永，周凌宇，王強(qiáng)，林全富，楊斌財(cái)，張強(qiáng)，何鐵名

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410076；2.珠海交通集團(tuán)有限公司，廣東珠海，519060；3.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢，430000)

近年來，我國(guó)交通工程和航運(yùn)事業(yè)高速發(fā)展，通航橋梁急劇增多，船舶規(guī)模不斷增大，航速也越來越快，這將給橋梁安全帶來新的問題。據(jù)有關(guān)資料，船撞橋事故在各地不同類型橋梁垮塌原因中占首位[1]，且數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)。陳國(guó)虞等[2]分析了40年來世界范圍內(nèi)“船撞橋”事故的概況，發(fā)現(xiàn)船撞橋事故不僅嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和使用年限，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染以及消極的社會(huì)影響。目前，設(shè)置被動(dòng)防撞裝置是減少船橋碰撞事故的有效措施。耿波[3]通過歸納總結(jié)得出世界范圍內(nèi)常用的防撞裝置有人工島保護(hù)結(jié)構(gòu)、雙壁鋼圍堰、鋼浮箱以及玻璃鋼護(hù)舷、木護(hù)舷等。人工島保護(hù)結(jié)構(gòu)位于深水區(qū)時(shí)建設(shè)工程量大，造價(jià)昂貴，占用通航面積大；雙壁鋼圍堰、鋼浮箱在鹽水環(huán)境中抗腐蝕性能較差，發(fā)生碰撞時(shí)與船舶鋼材接觸易發(fā)生摩擦起火甚至爆炸，維修工序繁雜，維修成本高；玻璃鋼護(hù)舷、木護(hù)舷組成材料本身強(qiáng)度低，能量吸收幅度較小。因此，設(shè)計(jì)一種強(qiáng)度高、耐腐蝕、體量小、適合工程應(yīng)用的防撞裝置對(duì)保護(hù)橋梁安全尤為重要。UHPC材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、超高耐久性等優(yōu)點(diǎn)。樊健生等[4]通過沖切性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼?UHPC組合板具有高強(qiáng)、高延性、抗開裂、施工便利等性能。GRAYBEAL 等[5]根據(jù)美國(guó)規(guī)范中的測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)UHPC 具有很強(qiáng)的抗氯離子侵蝕能力。REJU 等[6]通過化學(xué)侵蝕相關(guān)的耐久性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)UHPC摻加粉煤灰后表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。本文通過設(shè)計(jì)內(nèi)部裝配框架式耗能元件的裝配式鋼?UHPC防船撞裝置，能夠充分發(fā)揮UHPC材料的強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、超高耐久性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，采用裝配式安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)高效安裝、修補(bǔ)、拆卸，大幅度減少防船撞裝置在橋梁設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)的維修費(fèi)用。為進(jìn)一步推動(dòng)該裝置實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，對(duì)防撞裝置內(nèi)部耗能元件材料種類、UHPC浮箱壁厚、UHPC浮箱外壁配筋率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析研究，通過改變單一因素，分析各關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)船橋碰撞系統(tǒng)中防船撞裝置防撞性能的影響規(guī)律。鑒于碰撞實(shí)驗(yàn)[7?8]測(cè)試費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，采用非線性顯示動(dòng)態(tài)有限元分析程序(LS-DYNA)進(jìn)行模擬與分析[9?10]。

1 項(xiàng)目概況

本文研究船橋碰撞過程的工程是珠海市洪鶴大橋工程，全長(zhǎng)9.7 km。橋墩防撞裝置由18 個(gè)大空腔薄壁預(yù)制UHPC浮箱通過“牛腿+栓釘”連接而成，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，單個(gè)箱體封閉且水中自浮，通過砝碼配重使各箱體吃水深度相同，使浮箱連接處無豎向初始應(yīng)力。UHPC浮箱由雙層雙向正交密配筋的UHPC 外壁和內(nèi)部耗能元件組成。外壁混凝土保護(hù)層厚度為10 mm，采用間距100 mm的HRB500E鋼筋。防撞裝置裝配式設(shè)計(jì)分為3個(gè)預(yù)制模塊：①號(hào)分水箱、②號(hào)模塊化調(diào)整箱和③號(hào)側(cè)壁標(biāo)準(zhǔn)箱。這3種箱體外側(cè)均勻布置橡膠阻尼材料，以避免船舶剛性接觸，增加撞擊作用面積與撞擊作用時(shí)間，緩解浮箱局部高應(yīng)力現(xiàn)象。裝置端部布置橡膠滾筒，撥轉(zhuǎn)船舶撞擊方向。在3種箱體兩側(cè)高度方向設(shè)置3層牛腿，水平方向均勻布置UHPC栓釘，新型防撞裝置結(jié)構(gòu)布置和箱體間連接見圖1。

圖1 新型裝配式鋼?UHPC防撞裝置Fig.1 New assembled steel-UHPC anti-collision device

①號(hào)箱體縱橋向最大長(zhǎng)度為6.6 m，橫橋向最大長(zhǎng)度為5.0 m，設(shè)計(jì)排水量為53.8 m3，為大體量薄壁空間結(jié)構(gòu)形式。耗能元件通過預(yù)埋剪力鍵與超高性能混凝土外壁連接。當(dāng)船舶撞擊裝置時(shí)，浮箱主要依靠密配筋UHPC箱壁和內(nèi)部耗能元件的大變形耗能，因此，浮箱壁厚、浮箱外壁配筋率以及內(nèi)部耗能元件材料的設(shè)計(jì)十分重要。②號(hào)箱為模塊化調(diào)整箱，根據(jù)被保護(hù)橋墩橫橋向尺寸調(diào)整箱體尺寸。③號(hào)箱為側(cè)壁標(biāo)準(zhǔn)箱，箱體長(zhǎng)為6.0 m，寬為2.0 m，高為3.0 m，由橋墩縱橋向尺寸調(diào)整箱體尺寸，方便工廠模塊化生產(chǎn)。裝置內(nèi)側(cè)與橋墩間隙設(shè)置間斷式橡膠滑塊，以減小接觸區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效緩解UHPC外壁與橋墩混凝土之間的硬接觸，避免出現(xiàn)箱壁鋼筋外露和橋墩表層局部混凝土裂縫、成塊脫落等損傷，同時(shí)，增加撞擊緩沖時(shí)間，降低沖擊力，使防撞裝置更好地吸收船舶初期撞擊能量。

防撞裝置按裝配式工藝設(shè)計(jì)。在制造階段，3類箱體均為工廠預(yù)制模塊化生產(chǎn)，預(yù)制模板簡(jiǎn)單，可多條生產(chǎn)線同步生產(chǎn)，單個(gè)箱體整裝運(yùn)輸。在施工階段，現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工，可與橋梁施工同步進(jìn)行，工序步驟少，施工速度快。在后期維護(hù)階段，1次撞擊后易于更換受損浮箱。整體設(shè)計(jì)能夠有效減少工程施工工期，降低工程造價(jià)，具有廣闊工程應(yīng)用前景。

2 精細(xì)化建模

2.1 防撞裝置

2.1.1 UHPC防撞浮箱

UHPC 浮箱建模采用8 節(jié)點(diǎn)SOLIDE164 單元，共計(jì)18 907個(gè)。①號(hào)箱體網(wǎng)格最小尺寸選擇300 mm，其余未受撞擊箱體網(wǎng)格尺寸選擇500 mm，避免出現(xiàn)三角形實(shí)體單元或小角度其他畸形實(shí)體單元，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確；箱體外壁配筋HRB500采用桿單元LINK160 建模，共計(jì)44 882 個(gè)，網(wǎng)格尺寸選擇300 mm，采用考慮材料失效的雙線性強(qiáng)化塑性本構(gòu)模型。船撞過程是瞬時(shí)動(dòng)力響應(yīng)的過程，因此，鋼筋單元與混凝土單元采用共節(jié)點(diǎn)連接，不考慮鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移反應(yīng)相對(duì)滯后的現(xiàn)象。橡膠阻尼材料和內(nèi)側(cè)橡膠滑塊均采用實(shí)體單元SOLIDE164建模，網(wǎng)格尺寸為300 mm，略小于接觸區(qū)域混凝土劃分尺寸，保證接觸單元節(jié)點(diǎn)就近連接。防撞裝置有限元模型見圖2。為方便建模與節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，UHPC箱壁與橡膠材料接觸面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自由度耦合，保證兩者連接區(qū)域共同變形。橡膠材料本構(gòu)模型采用*MAT_MOONEYRIVLIN_RUBBER 模型，取密度ρ=1600 kg ?m-3，泊松比μ=0.499 5，參數(shù)C01和C10為模型的材料常數(shù)，C01=0.15MPa，C10=0.60 MPa。

圖2 防撞裝置有限元模型Fig.2 Finite element model of anti-collision device

UHPC材料采用大應(yīng)變、高應(yīng)變率及高圍壓條件下的HJC本構(gòu)模型[11]。該模型等效強(qiáng)度參數(shù)與壓力、損傷和應(yīng)變率相關(guān)，壓力為體積應(yīng)變的3次函數(shù)，考慮永久壓碎效應(yīng)，并通過等效塑性應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變累積損傷，損傷參數(shù)D為

其中：Δεp和Δμp分別為等效塑性應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變；D1和D2為材料常數(shù)；P?為標(biāo)準(zhǔn)化壓力；T?為標(biāo)準(zhǔn)化最大拉伸靜水壓力。HJC模型中包含參數(shù)較多，目前缺乏適合船舶撞擊時(shí)相應(yīng)應(yīng)變率下UHPC材料的參數(shù)。為此，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)UHPC材料進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、彎拉實(shí)驗(yàn)、單軸循環(huán)加載卸載實(shí)驗(yàn)和單軸SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)，通過分析計(jì)算得到UHPC 材料HJC 本構(gòu)模型參數(shù)的取值。采用C130混凝土HJC本構(gòu)模型參數(shù)，見表1。

表1 混凝土HJC本構(gòu)模型參數(shù)Table 1 Constitutive model parameters of concrete HJC

2.1.2 浮箱內(nèi)耗能元件

耗能元件采用方形薄壁鋼管連接成單層類“共”字形平面桁架，豎向設(shè)置固定柱固定，高度方向均勻分布。平面桁架包括斜弦桿、橫梁以及橫梁間的軸撐，見圖3。內(nèi)部耗能元件采用3D 梁?jiǎn)卧狟-EAM161建模，單元共計(jì)319個(gè)。斜弦桿與軸撐縱向支撐節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開，構(gòu)成耗能元件方形泄能結(jié)構(gòu)。破壞機(jī)制由桿件軸壓的屈曲耗能向橫梁彎曲破壞耗能轉(zhuǎn)變，提高框架耗能的效率，從而增大變形耗能。在撞擊過程中，船撞荷載引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力以波的形式首先傳遞至斜弦桿、橫梁，最終布滿整個(gè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，迅速產(chǎn)生復(fù)雜的非線性動(dòng)力響應(yīng)，而耗能元件的框架結(jié)構(gòu)能通過反射和衰減應(yīng)力波的正向傳遞達(dá)到擴(kuò)散船撞力，使單根弦桿的撞擊力較低。

圖3 耗能元件有限元模型Fig.3 Finite element model of energy dissipation element

耗能元件分別采用Q235 低碳鋼、UHPC 復(fù)合材料、高強(qiáng)鋁合金這3 種不同材料。利用復(fù)合理論，將UHPC桿件中的HRB500鋼筋和UHPC材料按照強(qiáng)度相等原則復(fù)合成一種均質(zhì)材料來提高UHPC框架耗能元件的工況的計(jì)算速度，利用各材料彈性模量的比例關(guān)系獲取等效復(fù)合材料的彈性模量，且考慮至安全性，選取最不利偏壓或受彎桿件極限承載力作用下的截面最小應(yīng)力作為對(duì)應(yīng)UHPC 復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)變參照HRB500 鋼筋的應(yīng)變。Q235 低碳鋼采用理想彈塑性本構(gòu)模型，極限塑性應(yīng)變?chǔ)舊=0.34；UHPC復(fù)合材料和高強(qiáng)鋁合金材料采用雙線性強(qiáng)化本構(gòu)模型，最大失效主應(yīng)變分別取0.10和0.15，耗能元件3種材料本構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 耗能元件材料本構(gòu)模型Fig.4 Constitutive model of energy dissipation element material

2.2 船舶

建立5000DWT 江海直達(dá)貨船有限元模型，見圖5。船舶總長(zhǎng)110.0 m，型寬17.5 m，深7.6 m，設(shè)計(jì)吃水4.5 m。船首建模采用shell 163 單元，準(zhǔn)確模擬球鼻艏、內(nèi)部龍骨、各層甲板以及艙壁等構(gòu)件，共計(jì)9 640 個(gè)單元。船身建模采用剛體材料，共計(jì)12 657 個(gè)單元。將船首撞擊區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最小單元特征長(zhǎng)度為500 mm，保證撞擊效果更加真實(shí)。船首材料采用屈服面面積不變的塑性隨動(dòng)硬化模型即MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模型，通過Cowper-Sy-monds 模型考慮其應(yīng)變率[12?13]，屈服應(yīng)力為

式中：σ'0為單軸塑性應(yīng)變率為ε時(shí)的動(dòng)屈服應(yīng)力；σ0為相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力。船首材料為普通低碳鋼，應(yīng)變率系數(shù)C=40.4，P=5。

根據(jù)胡克定律驗(yàn)算船舶有限元模型的等效動(dòng)剛度為12.89 MN/m，介于歐洲規(guī)范中內(nèi)陸航道船舶等效剛度5 MN/m和遠(yuǎn)洋船舶等效剛度15 MN/m之間，證明船舶建模合理、準(zhǔn)確。碰撞過程中涉及流固耦合問題，本文采用附加質(zhì)量方法考慮流體效應(yīng)對(duì)碰撞過程的影響，附加質(zhì)量值取船舶質(zhì)量的0.04倍[14]。

2.3 橋墩

橋型為雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，索塔為鉆石型鋼筋混凝土橋塔，建模采用八節(jié)點(diǎn)四面體單元SOLID164，共556 036個(gè)單元，見圖6。采用單點(diǎn)高斯積分并進(jìn)行沙漏控制，碰撞區(qū)域網(wǎng)格最小尺寸選取500 mm，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的部位網(wǎng)格尺寸選取750 mm。非碰撞區(qū)域混凝土采用剛體建模，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比μ=0.2。

圖5 船舶有限元模型Fig.5 Finite element models of ship

圖6 橋墩整體有限元模型Fig.6 Finite element model of pier

橋墩承臺(tái)為埋入式，樁基礎(chǔ)采用基礎(chǔ)固定形式，約束樁束所有單元節(jié)點(diǎn)的三向平動(dòng)自由度。碰撞區(qū)域混凝土材料模型采用*MAT_GEOLOGIC_CAP 模型，該模型充分考慮了材料在大應(yīng)變時(shí)的非線性響應(yīng)，參數(shù)見表2。

2.4 失效應(yīng)變及接觸定義

基于HJC 本構(gòu)模型自帶*MAT_ADD_EROSION 侵蝕失效準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)UHPC 箱壁、橡膠材料屈曲、壓碎破壞造成的變形過大或者畸形單元失效。當(dāng)材料的應(yīng)變大于失效應(yīng)變?cè)O(shè)定值時(shí)刪除該單元，從而避免出現(xiàn)負(fù)體積現(xiàn)象。結(jié)合UHPC材料力學(xué)性能，通過LS-DYNA算法修正HJC本構(gòu)模型中的失效控制參數(shù)FS，得出UHPC材料最大失效主應(yīng)變?yōu)?.01，橡膠材料最大失效主應(yīng)變?yōu)?.35。船首材料等效塑性應(yīng)變超過定義的極限塑性應(yīng)變?chǔ)舊=0.34時(shí)，單元發(fā)生斷裂失效[15]。

表2 橋墩碰撞區(qū)混凝土材料參數(shù)Table 2 Concrete material parameters of pier impact zone

在船橋碰撞過程中，接觸位置的實(shí)際邊界條件在分析中是不可預(yù)知的，因此，采用LS-DYNA中自動(dòng)接觸算法。該算法可以自動(dòng)檢查面與面之間的接觸，確定殼單元實(shí)際的接觸情況和接觸方向。定義自動(dòng)面對(duì)面接觸算法，檢測(cè)實(shí)體單元和殼單元之間接觸面積較大且形狀不規(guī)則并伴隨大量相對(duì)滑移的碰撞接觸；定義自動(dòng)點(diǎn)對(duì)面接觸算法，檢測(cè)鋼筋桿單元對(duì)其他單元的碰撞接觸；定義自動(dòng)單面接觸算法，檢測(cè)船首鋼材和UHPC浮箱變形后的自身碰撞接觸。鋼材接觸面間的動(dòng)靜摩擦因數(shù)均取0.3[16]，船與橡膠材料的動(dòng)靜摩擦因數(shù)取0.1[17]。

3 防撞裝置關(guān)鍵參數(shù)的性能

鑒于模擬計(jì)算工作量大、耗費(fèi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)，工況最短計(jì)算機(jī)時(shí)長(zhǎng)達(dá)240 h，選擇受損最嚴(yán)重和最受關(guān)注的正撞工況作為主要分析對(duì)象，并對(duì)關(guān)鍵因素(外壁配筋率、耗能元件材料、浮箱壁厚)進(jìn)行單因素變化的敏感性分析。正撞工況選擇5000DWT江海直達(dá)貨船，以5 m/s的速度無偏角正面撞擊橋墩或者防撞裝置。

3.1 防撞裝置外壁配筋率性能

裝置浮箱外壁配筋率差異主要體現(xiàn)在防撞浮箱的強(qiáng)度以及塑性變形這2個(gè)方面。本文中浮箱外壁配筋率按體積配筋率計(jì)算，選取4 種配筋率(4.0%，5.0%，6.0%和7.0%)下的裝置進(jìn)行性能對(duì)比分析。

裝置浮箱外壁不同配筋率的4種有保護(hù)工況與無保護(hù)工況的碰撞系統(tǒng)能量見圖7(a)。由圖7(a)可見：有保護(hù)工況的橋墩能量遠(yuǎn)比無保護(hù)工況的大，這主要是因?yàn)橛蟹雷惭b置時(shí)碰撞環(huán)境更加復(fù)雜，接觸類型增多；但橋墩能量遠(yuǎn)小于船舶、裝置能量，可以忽略不計(jì)。在有保護(hù)工況下，當(dāng)浮箱配筋率為4.0%，5.0%，6.0%和7.0%時(shí)，船舶變形能較無保護(hù)工況分別減少50.0%，52.0%，39.7%和41.15%。隨著配筋率增大，出現(xiàn)分級(jí)現(xiàn)象：低配筋率(4.0%和5.0%)時(shí)船舶變形能較小，高配筋率(6.0%和7.0%)時(shí)船舶變形能較大。這主要是因?yàn)楦吲浣盥蕰r(shí)，雙層雙向正交密配筋能夠直接增加浮箱的整體強(qiáng)度，在碰撞過程中，低配筋率(4.0%和5.0%)下的防撞裝置剛度較小，通過自身大變形減少船舶碰撞過程中球鼻艏、內(nèi)部龍骨、各層甲板以及艙壁等構(gòu)件的變形能，具有較好保護(hù)船舶的效果。同時(shí)，當(dāng)配筋率ρ=5.0%時(shí)裝置變形能最大，塑性變形吸收船舶撞擊能量最多。

圖7 不同配筋率下的裝置性能Fig.7 Device performance under different reinforcement ratios

圖7(b)所示為有、無保護(hù)工況下撞擊力時(shí)程曲線。由圖7(b)可見：在無保護(hù)工況下，撞擊力峰值為35.30 MN，撞擊時(shí)間僅為1.25 s；當(dāng)配筋率為4.0%，5.0%和6.0%時(shí)，撞擊力峰值明顯小于配筋率為7.0%的撞擊力峰值，較無保護(hù)工況撞擊力峰值分別降低27.5%，31.6%和30.9%；當(dāng)配筋率為7.0%時(shí)，浮箱剛度最大，撞擊初期產(chǎn)生較大剛體位移，直接撞擊橋墩的撞擊力峰值最大，達(dá)到30.73 MN，不能發(fā)揮其塑性吸能的優(yōu)勢(shì)，因此，在碰撞過程中吸收船舶動(dòng)能最?。划?dāng)配筋率為6.0%時(shí)，橋墩所受最大撞擊力為24.38 MN，撞擊力持續(xù)時(shí)間為2.52 s；當(dāng)配筋率為5.0%時(shí)，橋墩所受撞擊力峰值最小，為24.13 MN，撞擊持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為2.60 s，非常符合柔性防船撞的設(shè)計(jì)理念?？梢姡?dāng)裝置外壁配筋率為5.0%時(shí)，防撞裝置在降低橋墩所受撞擊力峰值和延長(zhǎng)撞擊時(shí)間方面性能更加優(yōu)越。

3.2 防撞裝置耗能元件材料性能

耗能元件分別采用高強(qiáng)鋁合金、低碳鋼和超高性能混凝土這3種材料進(jìn)行研究。圖8(a)所示為防撞裝置搭配不同材料的耗能元件時(shí)系統(tǒng)能量。由圖8(a)可見：耗能元件材料為低碳鋼Q235 時(shí)裝置塑性變形吸收能量最多，達(dá)到31 MJ，這主要是因?yàn)榈吞间換235材料的方形薄壁管結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生“偽塑性鉸”變形，兩塑性鉸之間的局部屈曲和沿方形管縱向?qū)ΨQ變形吸收部分能量[18]，使得裝置能夠大量吸收船舶撞擊動(dòng)能；同時(shí)，耗能元件材料為超高性能混凝土、低碳鋼Q235和高強(qiáng)鋁合金在有保護(hù)工況與無保護(hù)工況相比，船舶變形能分別減少37.8%，47.3%和40.5%，船舶碰撞產(chǎn)生的塑性變形能顯著減少，尤其是耗能元件為低碳鋼Q235 時(shí)削減船舶變形能幅度最大，保護(hù)船舶效果最好。

圖8(b)所示為有/無保護(hù)工況下撞擊力時(shí)程曲線。由圖8(b)可見：撞擊力曲線具有顯著的非線性波動(dòng)特征，撞擊力曲線的每一次峰值和卸載都代表撞擊過程中應(yīng)力?應(yīng)變波傳遞，使得船舶或防撞裝置某個(gè)部件失效或破壞。當(dāng)耗能元件材料為UHPC 時(shí)，撞擊力時(shí)程曲線達(dá)到峰值25.40 MN 后快速減小至2.00 MN，撞擊持續(xù)時(shí)間僅為1.60 s，在該工況下撞擊力峰值最大，撞擊持續(xù)時(shí)間最短，保護(hù)橋墩效果最差；當(dāng)耗能元件材料為高強(qiáng)鋁合金時(shí)，與無保護(hù)工況相比，撞擊力峰值降低35.3%，撞擊持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)68.0%；當(dāng)耗能元件材料為低碳鋼Q235時(shí)，與無保護(hù)工況相比，撞擊力峰值降低38.0%，撞擊持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)105.0%，說明其保護(hù)橋墩效果最好。

圖8 搭配不同耗能元件的裝置性能Fig.8 Performance of different energy dissipation devices

3.3 防撞裝置浮箱壁厚性能研究

UHPC浮箱壁厚分別設(shè)計(jì)為90，120和150 mm。圖9(a)所示為浮箱壁厚不同時(shí)碰撞系統(tǒng)能量。由圖9(a)可見：在壁厚為90，120和150 mm這3種工況下，防撞裝置變形能分別為27.3，26.7和27.9 MJ；隨著裝置壁厚增加，裝置受撞擊時(shí)塑性變形能變化幅度不大，但船舶變形能隨著壁厚的增大而增大，說明UHPC浮箱混凝土厚度對(duì)塑性吸能影響效果較小。但浮箱壁厚直接影響浮箱剛度，壁厚越大，剛度越大，船舶撞擊箱體時(shí)損傷越大。

圖9(b)所示為3種有無保護(hù)工況下橋墩所受撞擊力時(shí)程曲線。由圖9(b)可見：當(dāng)UHPC浮箱壁厚為90，120 和150 mm 時(shí)，撞擊力峰值分別降低34.1%，36.3%和25.6%，撞擊持續(xù)時(shí)間分別延長(zhǎng)26.5%，46.4%和76.0%；在這3種工況中，浮箱壁厚為120 mm時(shí)的降低撞擊力峰值幅度最大，壁厚為150 mm時(shí)的降低撞擊力峰值幅度最小，從評(píng)價(jià)降低橋墩撞擊力角度分析，壁厚為120 mm時(shí)防撞緩沖效果最好，延長(zhǎng)撞擊時(shí)間處于中等水平，能夠?qū)崿F(xiàn)船橋碰撞的緩沖效果?？紤]到工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，壁厚為120 mm滿足配筋構(gòu)造要求，為工程推廣創(chuàng)造了有利條件。

圖9 不同浮箱壁厚的裝置性能Fig.9 Performance of devices with different wall thicknesses

4 最優(yōu)參數(shù)下防撞裝置性能

綜合保護(hù)船舶和保護(hù)橋墩性能，選取低碳鋼耗能元件，浮箱壁厚為120 mm、配筋率ρ=5.0%作為本研究中防撞裝置的最優(yōu)的參數(shù)。圖10所示為防船撞裝置在1，3和5 m/s這3種不同撞擊速度下無偏角正面撞擊的應(yīng)力云圖。由圖10可見：在這3種不同撞擊速度下，碰撞變形、破壞或失效都主要集中在船舶與防撞裝置直接撞擊的UHPC 浮箱；未受撞擊的浮箱均未出現(xiàn)較大塑性變形，保持較好的完整性，在船舶1次撞擊后可繼續(xù)使用，具有較高的現(xiàn)實(shí)工程價(jià)值；浮箱間連接處受力復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，但均未出現(xiàn)明顯破壞，主要是箱體之間較少的UHPC 銷栓連接，既能組裝連接，也能減少浮箱間相互作用，確保單個(gè)浮箱故障后能單獨(dú)更換組裝，降低維修成本。

當(dāng)撞擊速度為1 m/s和3 m/s時(shí)，防撞裝置未受到明顯破壞變形；當(dāng)撞擊速度為5 m/s時(shí)，受撞浮箱上下頂板與箱壁連接處應(yīng)力最大，達(dá)到失效應(yīng)變后，破壞消失；前頂板與船首直接接觸區(qū)域出現(xiàn)平面外凹陷變形，內(nèi)配鋼筋發(fā)生較大變形，但不完全破壞，仍然具有大變形耗能能力，證明雙層雙向密配筋的超高性能鋼筋混凝土箱壁能夠吸收大量船舶動(dòng)能。

圖10 不同撞擊速度下防撞裝置應(yīng)力圖Fig.10 Stress diagrams of anti-collision device at different speeds

不同撞擊速度下船舶能量曲線如圖11所示。由圖11可見：當(dāng)撞擊速度為1，3和5 m/s時(shí)，有防撞裝置工況下船舶變形增加內(nèi)能分別為0.34，10.26 和36.60 MJ，無防撞裝置工況下船舶變形內(nèi)能分別為3.27，28.52和74.9 MJ，有防撞裝置工況較無防撞裝置工況船舶變形能分別減少89.6%，64.0%和51.3%；防撞裝置能夠顯著減少船舶碰撞過程中的損傷變形能，有效保護(hù)船舶安全。

圖12所示為不同撞擊速度下有/無防撞裝置工況撞擊力對(duì)比。由圖12可見：當(dāng)撞擊速度為1，3和5 m/s時(shí)，有防撞裝置工況較無防撞裝置工況撞擊力峰值分別降低15.2%，36.4%和41.8%，撞擊時(shí)間分別延長(zhǎng)158.2%，207.6%和118.4%，可見，在5 m/s時(shí)削減撞擊力幅度最大。這主要是因?yàn)樽矒羲俣仍礁?，船首?yīng)變率越大，等效剛度越大，UHPC裝置與船舶相對(duì)剛度差異度降低，防撞裝置保護(hù)效果最好。

綜上可見，裝配式鋼?UHPC 防船撞裝置具有良好的吸能和防撞緩沖性能。可以通過設(shè)置不同規(guī)格浮箱的數(shù)量和調(diào)節(jié)防撞裝置縱橋向、橫橋向尺寸，適應(yīng)不同類型的橋墩，為今后橋梁防船撞設(shè)計(jì)提供重要參考。

圖11 不同撞擊速度下船舶能量曲線Fig.11 Energy curves of ship at different impact speeds

圖12 不同撞擊速度下橋墩所受撞擊力時(shí)程曲線Fig.12 Time history curves of impact force on piers under different impact speeds

5 結(jié)論

1)防撞裝置由3種模塊化UHPC浮箱和間斷式橡膠滑塊組成，箱體種類少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，箱體間通過UHPC銷栓拼裝，具有施工工作面小、施工質(zhì)量高、多生產(chǎn)線同步施工、安全性高等特點(diǎn)。

2)防撞裝置最優(yōu)參數(shù)為：采用內(nèi)部搭配低碳鋼Q235材料耗能元件；浮箱壁厚為120 mm；浮箱外壁配筋率ρ=5%。該裝置具有塑性變形吸能強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。

3)防撞裝置能夠顯著減小船橋碰撞中橋墩所受撞擊力峰值和船舶損傷變形能，有效保護(hù)船舶和橋墩。當(dāng)碰撞速度為1，3，和5 m/s時(shí)，撞擊力峰值分別減小15.2%，36.4%和41.8%，船首損傷變形能分別減少89.6%，64.0%和51.3%。

4)防撞裝置碰撞損傷變形和破壞主要集中在受到船舶直接撞擊的浮箱，未受撞擊浮箱無明顯破壞變形，重復(fù)利用率高。受損浮箱獨(dú)立更換，工序簡(jiǎn)單，維修工期短，維修成本低，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。