董建松

福建省交通建设质量安全中心

摘 要：为研究船舶撞击场景下变截面桩的撞击动力响应，基于LS-DYN***有限元软件，建立了撞击位置距承台中心线的间距E分别为0 m、3.25 m和6.5 m时的船舶撞击变截面桩基模型，研究了在船撞作用下的撞击速度、碰撞力、承台水平位移及桩身弯矩变化规律。结果表明，撞击点距承台中心线的间距E的影响较大，在设计防撞设施时需要着重考虑撞击点距承台中心线距离的影响；桩基最不利工况是E=6.5 m即撞击点在承台角上时的工况，此时桩基所受撞击力和桩身弯矩最大，为保证桩基的安全，必须对其进行防撞设计；变截面的存在并未对桩基所受撞击破坏造成显著的影响，且变径以下部分材料用量的减少降低了工程费用，在不影响桩基承载性能的前提下，充分体现了变截面桩的经济优势。

关键词：变截面桩;船舶撞击;数值模拟;动力响应;

1 研究背景

随着桩基的发展[1,2,3,4,5,6,7],变截面桩基因其合理利用桩周土体承载力、节省材料等优点，被广泛应用于各种跨海大桥的建设之中。目前，针对变截面桩基的研究，主要在桩基的承载特性、荷载传递规律及施工工艺等方面[8,9,10,11,12,13]。

跨海大桥在给当地带来交通便利及促进经济发展的同时，对船舶安全行驶带来一定的隐患。因此，许多学者对船桥碰撞展开了研究。但船桥碰撞试验耗费大，实际操作难。随着计算机技术的发展，船桥碰撞的数值仿真开始作为一种研究手段被许多学者采用，顾永宁、胡志强等[14,15]模拟了船舶正撞刚性桥墩的工况，根据不同航速得到了船桥碰撞时的最大碰撞力—船舶吨位曲线，该曲线可近似估算各种吨位船舶的撞击力；何栋梁等[16]采用有限元仿真软件LS-DYN***模拟了某桥梁防撞设施的碰撞时程，结果表明，设置防撞结构可以有效降低船撞力对桥墩的破坏程度；曾友金等[17]基于三维弹塑性静态有限元分析方法对某哑铃形群桩基础特大桥在运营期间遭受船舶碰撞时的过程进行了仿真计算，得出护底方案对抵御船撞荷载更为有效；何勇等[18]考虑周围水文环境和碰撞速度、船舶吨位、碰撞位置等因素，通过有限元软件对船桥碰撞的过程进行了分析计算，得出不同条件下适用的规范公式；陈向东等[19]采用了基于接触均衡的并行计算技术对船桥碰撞的动态响应进行了仿真计算，认为模拟中采用整桥的船桥碰撞模型将使计算结果更为准确；李军等[20]对船桥碰撞数值模拟中涉及到的材料本构模型、网格划分、流固耦合作用和桩土相互作用等问题进行了归纳总结；周敉等[21]为了得到结构在动荷载下的真实响应进行了非线性有限元分析，发现最大撞击力随着配筋率和钢筋屈服强度的增加而增大，在船-桥碰撞分析中应考虑其影响；陈涛等[22]考虑船舶吨位对碰撞的影响，发现在船舶碰撞过程中撞击力与船舶吨位的平方根近似成线性关系，与撞击速度近似成线性关系，并随着撞击角度增大，撞击力减小，撞击时长增加；李维洲[23]依托实体工程，结合多种研究手段，对跨海大桥桩基础的防撞能力进行了研究。

目前针对船桥碰撞已有一定的研究基础，但对于新型桩基即变截面桩基在跨海大桥中所受船舶碰撞的动力响应的分析研究较少。随着工程技术的不断进步，变截面桩基应用将越来越广泛，因此对于变截面桩受船舶碰撞时动力响应的研究十分必要。基于此，本文依托厦门第二东通道实体工程，通过数值模拟，着重研究不同撞击位置下变截面桩基的动力响应特性。

2 有限元模拟

2.1模型建立

H15墩为翔安大桥主通航孔，承台设有6根大直径变截面深长桩，横向3排，横向中心距为6.25 m, 顺桥向中心距为7.6 m; 桩长45 m, 上段桩基外径为2.5 m, 下段桩基外径为2.15 m; 承台尺寸为17.8 m×13 m×5.1 m。土层岩桩长分布分别为砂土(15 m)、中风化花岗岩(30 m)和强风化花岗岩(20 m)。以厦门第二东通道柱墩为基础，建立六桩基础与岩土体的相互作用模型，如图1所示。

图1 六桩基础与岩土体模型示意 下载原图

2.2计算工况

选取的船舶撞击承台中心处的位置不同，桩基的动力响应特性也不同。为更好对比桩基受不同撞击位置的影响，取船舶撞击位置距承台中心的间距E分别为0 m、3.25 m和6.5 m, 确定船舶撞击承台位置，如图2所示；建立船舶与桩基的撞击作用模型，如图3所示。

图2 船艏与承台撞击位置示意 下载原图

图3 船艏与桩基撞击作用模型 下载原图

2.3参数选取

根据翔安大桥地质勘察资料及施工技术方案，选用的材料及物理参数见表1。根据翔安大桥设计资料中的通航标准，考虑船舶撞击最不利情况，选用2 000 t散货船，物理参数见表2。

2.4船桥碰撞接触设置及边界控制

采用显式动力分析程序LS-DYN***,分别对船舶撞击不同位置的变截面桩基的动力响应展开分析。模型水平方向上，桩边至模型边界长度为15D(D为桩径),桩底至模型底边界长度为0.7L(L为桩长)[24]。通过位移边界约束模型底部及四周，顶部为自由边界；对承台顶面施加上部结构产生的面荷载，并对船舶施加初始速度。

表1 材料及物理参数 导出到EXCEL

表2 设计撞击船舶船型及主尺度参数 导出到EXCEL

船舶与桩基的接触采用动态接触算法，将桩基定为主表面，船艏定为从表面。

3 结果与讨论

3.1船舶航速时程

为分析船撞时变截面桩基的动力响应特性，结合实际工程的船舶通航情况，对船舶施加4.5 m/s的初始速度撞击变截面桩基，得到的不同撞击位置处船舶航速时程曲线如图4所示。

图4 不同撞击位置处船舶航速时程曲线 下载原图

由图4可知，船舶撞击速度随时间的增长而逐渐减小，当撞击位置改变时，撞击速度变化不大。3种工况下，在0.023 s左右撞击速度陡然下降，说明此时船舶与桩基已发生碰撞，速度线性减小至0;后在桩基反作用下，船舶改变初始运动速度方向变为负值回弹，在0.5 s后速度趋于稳定，表明船舶对变截面桩基的撞击作用结束，船舶已回弹离开。

3.2撞击力时程

为进一步分析撞击时船舶的动力特性，提取船桥撞击力时程曲线，如图5所示。

由图5可知，船舶撞击力随时间呈现出非线性波动趋势，撞击力不断出现峰值之后再卸载；撞击力整体上随时间呈现先增大后减小的趋势。撞击位置E=0 m时，最大撞击力达到19.95 MN;E=3.25 m时，最大撞击力次之，为19.5 MN;E=6.5 m时，最大撞击力最小，为17.8 MN。各个工况的撞击力均在0.62 s左右减小至最小值。撞击位置E为0～6.5 m时，撞击力分别减小了0.45 MN、2.15 MN,减幅分别为2.26%、10.78%,说明撞击位置在承台角(E=6.5 m)时对最大撞击力有一定的影响。这是由于此时船舶与承台接触面积减小，使得最大撞击力降低。

图5 不同撞击位置处船桥撞击力时程曲线 下载原图

3.3承台位移

为研究船舶撞击变截面桩基时桩基的动力响应特性，提取了不同撞击位置处承台位移时程曲线，如图6所示。

图6 不同撞击位置处承台位移时程曲线 下载原图

如图6所示，承台水平位移随着时间呈现出先增大后减小、然后增大再减小的振荡趋势，且振荡范围逐渐减小；在船舶撞击作用下，3种工况的承台最大水平位移为24 mm左右。承台水平位移在经过增大、减小两次振荡后，在碰撞结束2 s左右时出现了负值，表明桩基在碰撞过程结束时恢复到了初始位置，之后在惯性作用下会继续发生变形。

3.4桩身弯矩分布

不同撞击位置处变截面桩基桩身弯矩分布规律如图7所示。由图7可知，各个工况下桩基弯矩整体上随着撞击时间的增大而逐渐减小，各个工况下桩基最大弯矩均发生在0.3 s左右。桩基弯矩最大的地方主要集中在桩基露出海平面部分，各个工况下桩身最大弯矩均在桩顶。撞击位置离承台中心越远，最大桩身弯矩也越大，E为0～6.5 m时，最大弯矩分别为302 MN·m、330 MN·m、363 MN·m, 桩基的最大弯矩增长幅度分别为9.27%、20.20%,表明E值的变化对桩基弯矩的影响显著。同时，在土抗力作用下，弯矩出现了负值，在距桩顶23 m处，桩身弯矩出现了第一个极值点；在变截面处即离桩顶28 m处，出现了第二个极值点，但该极值远小于第一个极值。这表明，船桥碰撞时，变截面的存在并未对桩基的破坏造成显著影响。

图7 不同撞击位置处桩身弯矩分布曲线 下载原图

4 结语

通过对船舶不同位置撞击变截面桩基进行动力响应分析，得出以下结论。

(1)撞击点距承台中心线的距离对船舶撞击桩基的影响较大。在设计防撞设施时，需着重考虑撞击点距承台中心线间距E的影响。

(2)桩基最不利工况是E=6.5 m即撞击点在承台角上时的工况。最不利工况下，桩基所受撞击力和桩身弯矩最大。此时，为保证桩基的安全，必须对桩基进行防撞设计。

(3)变截面的存在并未对桩基所受撞击破坏造成显著的影响，且变径以下部分材料用量的减少降低了工程的费用，在不影响桩基承载性能的前提下，充分体现了变截面桩的经济优势。

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