王贝壳，陈 涛，杨黎明，刘 军，董新龙，周风华，王永刚

(宁波大学 冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江 宁波 315211)

非通航孔桥墩自适应拦截网防撞装置实船 拦截试验与水动力计算

王贝壳，陈 涛，杨黎明，刘 军，董新龙，周风华，王永刚

(宁波大学 冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江 宁波 315211)

针对非通航孔桥墩，研发了一种自适应拦截网防船舶撞击装置，主要由系泊大浮体、系泊锚链和固定锚、自适应小浮筒、拦截网、恒阻力缆绳以及触发钢索所组成。阐述了该防撞装置设计原理，即偏航船舶撞击该防撞装置，小浮筒会带动拦截网自适应地从水平状态竖起展开，包裹住来撞船首，再通过相连浮体的运动阻力和恒阻力缆绳来吸收船舶动能，拦截住船舶，保护非通航孔桥墩安全。随后介绍在福建平潭海峡大桥引桥附近海域实施的实船撞击自适应拦截网防撞装置的大型试验，试验结果显示：自适应拦截网成功升起，船舶被安全拦截，从而实验证实了设计原理与设计方案的可行性和可靠性。最后，采用大型水动力分析软件AQWA对防撞装置拦截船舶过程进行数值模拟，模拟结果与实验结果基本一致，说明了数值仿真具有较好的计算精度和可靠性，能够为该防撞装置的结构设计与优化提供重要的参考。

自适应拦截网防撞装置；非通航孔桥墩；实船碰撞；水动力分析

Abstract: An adaptive arresting net crashworthy device has been developed for protecting non-navigable channel piers against ship collisions, which consists of mooring floating boats, mooring cable and mooring anchors, adaptive floating buckets, arresting net, triggering wire rope and constant resistant force cables. When a ship impacts the adaptive arresting net crashworthy device, one head of the adaptive floating buckets will rise due to the floating force, then the arresting net can capture the ship. Enormous kinetic energy of ship is consumed by a series of resistant force cables failure. The ship collision tests at full scale and hydrodynamic analysis of the adaptive arresting net crashworthy device had been conducted. The motion response of the crashworthy device impacted by ship was observed and discussed. The experimental results show that the arresting net is adaptive and the ship can be prevented successfully. By using hydrodynamic analysis software ANSYS-AQWA, a numerical simulation model of the adaptive arresting net crashworthy device is established. The numerical simulation results are in reasonable agreement with the experimental results.

Keywords: adaptive arresting net crashworthy device; non-navigable channel piers; ship collisions; hydrodynamic analysis

随着我国国民经济的快速发展以及互联网+经济模式的出现，人们对物资高效便捷流通提出更高的要求。为了陆上交通运输的方便，近年来在我国沿海地区陆续出现了跨江、跨海的超长特大桥，例如：上海市的东海大桥和长江大桥；浙江省的杭州湾跨海大桥；金塘大桥和象山港大桥；福建省平潭海峡大桥以及在建港珠澳大桥等等。与此同时，海上交通运输也迅速发展，船舶的数量、吨位和航行速度日益增加，因此，船舶撞击时的破坏力将不断增加[1]。一旦船桥相撞，将带来严重经济损失、人员伤亡、甚至是灾难性水环境污染，例如：2007年6月，广州九江大桥非通航孔桥墩被运沙船撞塌；2007年11月“中远釜山”号货轮撞上美国旧金山大桥，桥梁未毁，但船体受损，大量重油泄漏，严重污染了旧金山湾区。为了超长特大桥的安全，在设计、建设和运营管理中需要慎重考虑桥梁防船撞问题。为此，人们已开展了较多的计算分析研究工作[2-4]，也发展了许多桥墩防船撞防护装置，如：柔性防撞装置、人工岛、独立防撞墩以及套箱防护等[5-7]。然而，这些防护装置造价都比较昂贵，主要适用于数量少的通航孔桥墩，而对数量众多的非通航孔桥墩不用考虑航道的要求，可以采用拦截的方法，阻止船舶靠近大桥，避免船舶与桥墩的碰撞。目前已发展一种非通航孔桥墩抗船舶撞击拦阻索系统[8]，该拦阻索系统是将浮体和链条或钢丝绳、铰链相互连接而成，浮于水面。船舶撞击索链或浮体时，浮体之间的索链挡拉住冲撞的船舶，船舶和浮体一起移动，而浮体拖着锚锭和沉块，锚锭和沉块可在水底移动几十至上百米，锚锭和沉块在水底的泥土中的移动可产生很大的拖阻力(摩擦力)，从而吸收船舶的巨大动能。但该系统具有两个缺点: 1) 船舶撞击拦阻索，在索链拦阻冲撞船的同时，索链有向船底滑动(滚动)的危险，这使得防撞系统的浮筒及拦阻索链被船舶压入水下，船舶从索链上方驶过，而导致防撞系统失效；2) 拦截系统对船舶的拦截阻力来自于锚锭和沉块在水底的滑动摩擦力，这种滑动摩擦力不仅随着水底表面地质条件和地貌的变化而改变，而且随着时间增加而增大，因此拦截阻力具有非常大的不确定性，这对工程设计是非常不利的。从目前研究现状来看，非通航孔桥墩防船撞技术研发并没有引起人们的重视[9]。另外，为了减低工程造价，非通航孔桥墩的设计水平抗力较通航孔桥墩要低很多，其防撞等级大幅减低，因此，非通航桥梁被偏航船舶或失控船舶撞击时的危险性甚至比通航孔桥墩更高，如上述九江大桥非通航孔桥墩被运沙船撞毁。

由此看来，研究如何合理设计非通航孔桥墩防船舶撞击装置是非常重要的，有着强烈的工程应用需求。针对非通航孔桥墩防撞问题，提出一种自适应拦截网防撞技术，该技术将克服上述的拦阻索系统的缺点，并工程应用于福建平潭海峡大桥。首先讨论自适应拦截网装置结构设计和工作原理，开展实船撞击试验来检验设计思想与设计方案的可行性和可靠性，最后对该防撞装置进行了全尺寸水动力计算分析。

1 自适应拦截网装置结构与原理

当船舶因为机械故障或操作者行为不当而失控时，船舶将会以非常高的概率撞击到非通航孔桥墩。如果采用前述的人工岛、独立防撞墩，由于非通航孔桥墩数量众多，从而导致工程造价太大，经济上难以承受；若采用附着式套箱技术或柔性防撞装置技术，虽然大幅降低了船舶撞击力，但由于非通航孔桥墩抗船舶撞击能力很弱，仍然难以承受。为此，需要发展一种船舶拦截技术来有效避免失效船舶与非通航孔桥墩的接触碰撞，达到保护桥梁的目的。

这里，我们发展一种自适应拦截网防撞装置，它的基本结构由系泊大浮体、系泊锚链和固定锚、自适应小浮筒、恒阻力缆绳、超强高分子材料制作拦截网、触发钢索组成，如图1所示。系泊大浮体总长23.36 m，型宽10 m，高3.2 m，设计吃水1.4 m，自重约275 t。船首和船尾各设2套锚链装置。系泊大浮体在整个防撞装置系统中起定位作用，两个系泊大浮船之间距离120 m。自适应小浮筒的尾部形状是一个直径3 m的半球，中间是5 m长的圆柱体和5 m长的锥体(大端直径3 m、小端直径0.5 m)，最前端为8.5 m的锥管组成，自重约8 t。自适应小浮筒的形状设计是整个拦截系统的关键点。在工程全尺寸设计之前，在实验室开展了一系列缩比(缩比率50∶1)模型实验。模型实验中采用的典型小浮筒形状如图2所示，实验结果显示类啤酒形状的小浮筒的自适应行为最好。高强度拦截网采用抗海水腐蚀的超高分子量高强度聚乙烯绳(迪尼玛，单根绳索的抗拉强度100 t)组成，网眼纵向分布为5 m、4 m、3 m，横向间距3 m。拦截网固定在自适应小浮筒上，同时在小浮筒端部连接着触发钢索。平常状态下自适应拦截网防撞装置平躺在海面上，这样可以提供较好地抵抗波浪载荷和风载。紧急状态下，船舶撞击该拦截装置，船舶首先推动第一根触发钢索，在船撞力作用下，钢索沿着船体向下滑动(滚动)，带动自适应小浮筒端部下沉，在浮力作用下小浮筒另一端升起，拉动拦截网从水平状态竖起展开，包住船头或大型船舶的球鼻首。采用拦截网包住船头克服了拦阻索系统存在的船舶从索链上方驶过的缺点。图3给出了拦截网自适应原理示意图。拦截网随船舶一起向前运动，从而拉动邻近的自适应小浮体，并带动系泊大浮体及系泊锚链一起运动，逐渐消耗船舶的动能。对于吨位较小、航行速度较慢的船舶，在不启动恒阻力缆绳条件下，该防撞装置也可以拦截住船舶。而对于大吨位或航速较快的船舶，通过系泊大浮船及自适应小浮筒的运动阻力不能消耗掉船舶的所有动能，这时需要启动恒阻力缆绳，其基本结构如图4所示，主要由主绳-钢锚链加副绳-尼龙缆绳组成。恒阻力缆绳一端与拦截网相连，另一端固定在系泊大浮船上。船舶带着拦截网向前运动时，恒阻力缆绳也将同时受张力，当张力达到恒阻力缆绳设计张力时，恒阻力缆绳的副绳开始一根一根变形、断裂，从而逐渐消耗掉巨大的船舶动能，最终船舶被成功拦截。通过多根尼龙缆绳的变形断裂来消耗船舶巨大能量，该消能方式便于工程设计，根据需要拦截的船舶动能来选择恒阻力尼龙缆绳的伸长量(即根数)。

假定在拦截船舶的过程中，设计恒阻力缆绳对船舶的平均阻力为80 t，若要拦截排水量1万吨、航速4 m/s的船舶(动能为80 MJ)，则恒阻力缆绳的伸长量L:

通过恒阻力缆绳来消耗船舶动能克服了拦阻索系统采用拖锚消能方式而存在的拦截阻力不确定问题。

图1 自适应拦截网防撞装置的基本结构Fig. 1 Schematic of the adaptive arresting net crashworthy device for ship collision

图2 缩比模型实验中采用的自适应小浮筒的形状Fig. 2 Image of the adaptive floating bucket with different shapes

图3 自适应拦截网原理性示意Fig. 3 Principle of the adaptive arresting net

图4 恒阻力缆绳的示意Fig. 4 Constant resistant force cable

2 实船撞击实验

上述的自适应拦截网防撞装置已安装于福建平潭海峡大桥。为了检验该防撞装置的拦截效果，进行了实船撞击实验。图5给出了海面上安装好的自适应拦截网装置和撞击船舶的实物照片。实验选用一艘1 200吨级的杂货海轮作为撞击船舶。

图5 安装于海面上自适应拦截网防撞装置及撞击船舶Fig. 5 Image of the adaptive arresting net crashworthy device and the impacting ship

实船撞击实验中，采用了摄像机、图像标志点识别以及6自由度惯性测量单元等监测和测量手段，对自适应拦截网的运动姿态和撞击船舶的运动过程都进行有效地观测。从低速到高速，实船撞击实验一共进行了6次。图6给出了一组典型的不同时刻自适应拦截网的运动姿态(船舶航速3.5 m/s)。从中可以看到：撞击初期阶段，由于系统中各种连接缆绳都处于松散状态，在船舶推动下，系泊大浮体和自适应浮筒一起向前运动，缆绳逐渐被拉紧；当第一根触发钢缆拉紧受力后沿船首向船底运动，带动自适应浮筒粗端部沉入水中，产生较大浮力； 随后，在浮力作用下，自适应浮筒另一细端开始升起，带动拦截网升起；最后，自适应拦截网从水平状态竖起，超过了船首的高度，并包裹住船首，船舶缓慢减速，最终被成功拦截，实现了即保护桥梁，又保护船舶和人员的目的。图7给出实验测量的撞击船舶减速时程曲线，从中可以看到经过12 s左右船舶速度从3.5 m/s降为0 m/s。图8给出了自适应浮筒抬升角度的时程曲线，最大抬升角约50°左右。

图6 典型船舶撞击实验Fig. 6 Typical ship collision experiments

图7 实验与计算的船舶速度时程曲线对比Fig. 7 Comparison of experimental and numerical results of the ship speed

图8 船舶撞击位置一侧自适应浮筒抬升角度时程曲线Fig. 8 Comparison of experimental and numerical results about the rotation angle of adaptive floating bucket

3 水动力计算分析

3.1计算软件与计算模型建立

上述的自适应拦截网防撞装置整个工作流程中涉及到结构流体动力学、多体作用水动力学、系泊浮体缆索动力学以及结构碰撞等复杂问题。这里，采用ANSYS-AQWA水动力分析软件来进行数值仿真分析。AQWA是一款应用3D衍射/辐射方法计算波浪载荷与浮体运动的多体水动力分析软件，在海洋结构工程中应用非常广泛[10-11]。

图9 自适应拦截装置的水动力计算模拟Fig. 9 Hydrodynamic analysis model of adaptive arresting net crashworthy device in AQWA

基于实验数据，在ANSYS-Workbench仿真平台上建立自适应拦截装置和撞击船舶的全尺寸有限元模型，如图9所示，定义了有关水动力计算参数。模型中各结构件之间通过线性缆索进行连接，系泊大浮体通过8根大质量非线性系泊锚链固定于海底。由于AQWA软件中不能直接给船舶施加初速度，这里通过缆索绞车(cable winch) 来对船舶施加初速度，即开始时用一根缆索拉着船舶加速，当达到设计速度时，定义缆索断开。另外，如何定义船舶与触发钢索之间碰撞接触也非常重要。AQWA软件中也不可以直接定义结构物与缆索之间接触，为此在触发钢索上人为附加上小质量结构体，通过定义船首与小结构体之间接触来模拟船舶与触发钢索之间作用，并考虑了摩擦的影响。

3.2计算结果分析

对整个装置进行时域响应分析，获得船舶与拦截系统相撞过程中自适应拦截网运动实时响应，如图10所示，图中显示整个装置的运动姿态与图6给出实验结果非常一致，并且看到只有当系泊大浮体外侧系泊锚链被完全拉直后，自适应浮筒的一端才开始抬升。图11给出了外侧系泊锚链最大张力时程曲线，最大张力达到1 000 kN，并且在自适应浮筒开始抬升后，系泊锚链张力迅速增大。另外，在图11中还给出了触发钢索的张力时程曲线，最大张力接近800 kN。实验中，由于没有防水的大吨位测力传感器，因此触发钢索和系泊锚链上张力没有进行实时测量。但在工程设计中我们选用的系泊锚链最大张力1 500 kN，触发钢索最大张力是1 200 kN，缆索张力的计算结果都低于设计值。在整个实验过程中，也没有发生系泊锚链和触发钢索被拉断现象，因此从定性上可以反映了仿真结果具有一定可靠性。为了跟实验结果进行定量的比较分析，这里从仿真结果也提取出被拦截船舶速度和自适应小浮筒抬升角度等相关结果，见图7和图8。从图中看到：船舶减速时程曲线两者一致性非常好，自适应小浮筒抬升角度的计算结果与实验结果也比较接近，小差异的原因可能是实验时海况条件与计算海况条件不同而导致的。

总体来说，自适应拦截网防撞装置的水动力计算模拟几乎完全再现了实船撞击实验，并且可以提取出关键结构部件的受力、运动响应曲线，这将为整个装置的工程设计与优化提供非常重要的参考。

图10 自适应拦截网运动姿态图像Fig. 10 Motions of the crashworthy device

图11 AQWA中船舶撞击拦截装置过程Fig. 11 Process of ship collision interceptors in AQWA

4 结 语

针对桥梁非通航孔桥墩防船舶撞击问题，设计了一种非通航孔桥墩自适应拦截网防撞装置。首次实施了实船拦截试验，验证了自适应拦截网的原理设计和工程设计的可靠性和有效性。采用AQWA水动力计算软件，对自适应拦截网防撞装置开展全尺寸水动力计算分析，计算结果与实验结果进行了定性和定量的比较与分析，两者一致性很好，表明AQWA可以为自适应拦截网防撞装置的优化设计提供帮助。

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Impact tests and hydrodynamic analysis of an adaptive arresting net crashworthy device for protecting piers against ship collisions

WANG Beiqiao, CHEN Tao, YANG Liming, LIU Jun, DONG Xinlong, ZHOU Fenghua, WANG Yonggang

(Key Laboratory of Impact and Safety Engineering of Ministry of Education of China, Ningbo University, Ningbo 315211,China)

U443.26

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.010

1005-9865(2017)01-0090-07

2016-06-12

国家自然科学基金项目(11272164，11472142)；浙江省科技厅公益技术应用研究项目(2014C33010)；宁波市科技局农业与社会发展攻关项目(2014C50081)

王贝壳(1989-)，男，山西人，硕士研究生，主要从事海洋结构冲击安全与防护研究。E-mail: 280778599@qq.com

王永刚(1976-)，男，江苏人，教授，博导，主要从事海洋结构冲击动力学研究。E-mail: wangyonggang@nbu.edu.cn