某橋梁防洪碰撞仿真分析

某橋梁防洪碰撞仿真分析

0船橋撞擊及橋梁推動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的研究隨著船舶運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，由船只坍塌引起的橋梁坍塌事件頻發(fā)。這類事件往往引起橋梁結(jié)構(gòu)、使用壽命、安全性及抗震能力的損失,嚴(yán)重的更會(huì)造成橋毀人亡等災(zāi)難性后果,重建橋梁和疏通航道的費(fèi)用也十分驚人。因此,開展船橋碰撞及橋梁防撞結(jié)構(gòu)形式的研究,對(duì)提高橋梁的耐撞性具有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外理論研究、碰撞實(shí)例調(diào)查和模型實(shí)驗(yàn)的研究焦點(diǎn)集中在船舶撞擊橋梁的概率、船舶的撞擊動(dòng)能、船舶對(duì)橋墩或防撞系統(tǒng)的撞擊力及船舶與橋墩或防撞系統(tǒng)的能量吸收等方面。隨著非線性有限元技術(shù)與計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展,使得船橋碰撞直接數(shù)值模擬成為可能。通過(guò)仿真計(jì)算,船舶與橋梁的接觸、損傷變形、碰撞力和能量吸收的時(shí)間歷程可以重現(xiàn)。1模擬計(jì)算方法：調(diào)整船橋沖突1.1船橋碰撞問(wèn)題的有限元分析船橋碰撞時(shí),在很短的時(shí)間內(nèi)(一般為1s左右),接觸碰撞區(qū)附近的船艏構(gòu)件發(fā)生塑性變形、屈曲、褶皺、崩潰和撕裂。橋墩在碰撞接觸區(qū)產(chǎn)生高應(yīng)力并發(fā)生整體位移從而引起總體變形應(yīng)力。在碰撞過(guò)程中,除了船體、橋梁以外,船身周圍的流體亦參與了能量交換與吸收。目前解決船橋碰撞問(wèn)題的方法有經(jīng)典的Minorsky方法、漢斯德魯徹理論、各種簡(jiǎn)化解析方法、簡(jiǎn)化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法、試驗(yàn)方法和有限元方法等。其中有限元法可反映的碰撞物理現(xiàn)象最為完備,得到的計(jì)算結(jié)果也最為準(zhǔn)確。在有限元方法中,碰撞問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)方程可以一般地表示為:Ma+Cv+Kd=Fex(1)式中:M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;a為加速度向量;v為速度向量;d為位移向量;Fex為包括碰撞力在內(nèi)的外力向量。經(jīng)有限元離散處理后形成的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,適宜采用顯式直接時(shí)域解法。應(yīng)用顯式中心差分法求解碰撞問(wèn)題時(shí),一個(gè)特別值得注意的問(wèn)題是時(shí)間步長(zhǎng)的選取,因?yàn)橹行牟罘址ㄊ菞l件穩(wěn)定的,其時(shí)間步長(zhǎng)不能超過(guò)臨界時(shí)間步長(zhǎng)。實(shí)用中常以最小有限單元網(wǎng)格的特征長(zhǎng)度除以應(yīng)力波速來(lái)近似臨界時(shí)間步長(zhǎng),即:Δt≤Δtcr=min(Le/C)(2)1.2應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程船橋碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,動(dòng)力影響不能忽略。由于船舶和防撞結(jié)構(gòu)低碳鋼的塑性性能對(duì)應(yīng)變率是高度敏感的,其屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限隨應(yīng)變率的增加而增加,因此在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響,以考慮碰撞問(wèn)題的動(dòng)力特性。材料應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程有許多,這里采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得較好的Cowper-Symonds本構(gòu)方程。σ0′σ0=1+(ε/D)1/qσ0′σ0=1+(ε/D)1/q(3)式中:σ′0是在塑性應(yīng)率ε時(shí)的動(dòng)屈服應(yīng)力;σ0是相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力;D和q為應(yīng)變敏感率常數(shù),對(duì)船用和防撞結(jié)構(gòu)用鋼而言,D=40.4、q=5。1.3主從面接觸力相接結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)之間的相互作用通過(guò)接觸算法來(lái)完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面,接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用,并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動(dòng)。使用主從面接觸算法,在求解的每一時(shí)間步,檢查從屬節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo),看它是否已經(jīng)穿透主面,如果還沒(méi)有穿透,則計(jì)算工作不受影響地繼續(xù)進(jìn)行;如果已經(jīng)穿透,則在垂直于主面的方向上施加一作用力,以阻止從屬節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步穿透,這個(gè)作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元特性。1.4界面剛度北力系數(shù)fyfn在摩擦問(wèn)題中庫(kù)倫摩擦最便于計(jì)算。在船橋碰撞問(wèn)題中考慮接觸摩擦力為庫(kù)倫摩擦力,通過(guò)法向接觸力計(jì)算得到接觸摩擦力。若tn時(shí)刻摩擦力為Fn,在現(xiàn)時(shí)刻tn+1可能產(chǎn)生的摩擦力為F*=Fn-kΔe。k為界面剛度,Δe為接觸點(diǎn)的位移?？紤]到F*不能超過(guò)最大摩擦力Fy,其方向?yàn)镕y的方向。Fy=μ|fs|,μ為摩擦系數(shù),fs為法向接觸力。{Fn+1=F?,|F?|≤FyFn+1=FyF?|F?||F?|≥Fy{Fn+1=F*,|F*|≤FyFn+1=FyF*|F*||F*|≥Fy(4)其中摩擦系數(shù)用動(dòng)、靜摩擦系數(shù)用指數(shù)插值函數(shù)來(lái)平滑過(guò)渡,算式為:μ=μd+(μs-μd)e-β|υ|(5)式中:μd為動(dòng)摩擦系數(shù);μs為靜摩擦系數(shù);β為衰減系數(shù);υ為接觸點(diǎn)的相對(duì)速度。2計(jì)算模型2.1結(jié)構(gòu)主體組成防撞結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)水密箱形浮體。鋼質(zhì)箱形浮體的平面形狀呈長(zhǎng)圓形,中間設(shè)有上下貫通的矩形開孔,橋墩從中穿過(guò)。防撞結(jié)構(gòu)主體類似于船體結(jié)構(gòu),由內(nèi)、外圍壁,甲板,底板,縱、橫艙壁等板架構(gòu)件組成,并將浮箱分隔成若干水密區(qū)域。浮體主要參數(shù)如下:長(zhǎng)(橫橋向)為36.0m;寬(順橋向)為18.0m;深度為4.0m;板厚為0.01m。2.2結(jié)構(gòu)體系的描述取實(shí)船進(jìn)行計(jì)算,實(shí)船取自5000t級(jí)油船,板厚12mm。計(jì)算模型對(duì)碰撞區(qū)域船艏結(jié)構(gòu),如:外板、各層甲板、平臺(tái)、橫艙壁、縱桁等均作了較細(xì)致的描述。對(duì)于艏尖艙之后的船體,因其遠(yuǎn)離碰撞區(qū),實(shí)際并不產(chǎn)生變形,僅提供剛度和質(zhì)量影響,故將其處理為剛性,有限元網(wǎng)格也放大。全船的質(zhì)量分布于各單元上,且重心位于縱舯剖面。航速v為8m/s。2.3總體撞擊作用被撞橋梁由上部雙層鋼連續(xù)桁梁和下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋墩組成,主墩尺寸為6m×18m。由于橋墩的剛性較大,在撞擊過(guò)程中的變形較小,而上部結(jié)構(gòu)對(duì)下部橋墩的變形影響更小,計(jì)算中忽略了這部分的影響。橋梁的計(jì)算模型僅考慮了直接承受撞擊作用的橋墩,并按實(shí)際尺寸及結(jié)構(gòu)建模。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和鋼筋混凝土沉井的基礎(chǔ)剛性較好,所以建模時(shí)將橋墩底部處理為剛性固定,與實(shí)際情況較為符合?？紤]大橋水域年平均水位,故將撞擊位置取在基礎(chǔ)以上30m處。碰撞有限元模型見(jiàn)圖1所示。3計(jì)算與分析3.1多次裝卸與多次幾何組合圖2給出了無(wú)防撞結(jié)構(gòu)和有防撞結(jié)構(gòu)的碰撞力(f)撞深(h)關(guān)系曲線。從圖中可以看出,碰撞力具有明顯的非線性,出現(xiàn)了多次卸載現(xiàn)象,每一次卸載代表了某種構(gòu)件的失效或破壞。從總體來(lái)看,碰撞力隨撞深的增加而增大。在未設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)時(shí),橋墩受到的最大碰撞力達(dá)到了2.8×107N。設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)以后,由于防撞結(jié)構(gòu)的作用,使得橋墩受到的沖擊載荷明顯下降,最大碰撞力降為1.8×107N,減少了大約31%。3.2風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的損傷圖3與圖4分別給出了未安裝防撞結(jié)構(gòu)與安裝防撞結(jié)構(gòu)以后的撞擊船船艏變形圖。在未安裝防撞結(jié)構(gòu)時(shí),碰撞結(jié)束時(shí)撞擊船船艏的變形比較嚴(yán)重,整個(gè)球鼻艏部分全部被壓進(jìn)船體。而安裝防撞結(jié)構(gòu)以后,直到碰撞結(jié)束時(shí)刻,球鼻艏依然保持了較好的外形,大部分構(gòu)件并沒(méi)有大的損傷。這說(shuō)明防撞結(jié)構(gòu)對(duì)撞擊船船艏也起到了很好的保護(hù)作用。防撞結(jié)構(gòu)碰撞區(qū)域損傷變形的時(shí)序結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,防撞結(jié)構(gòu)的最大損傷變形發(fā)生在船艏部直接接觸區(qū)域。碰撞過(guò)程中,首先是前端外板和相連部分的甲板、底板產(chǎn)生塑性變形吸收能量,進(jìn)而波及內(nèi)部橫縱艙壁。計(jì)算表明碰撞一開始就伴隨著構(gòu)件的塑性屈曲失效,塑性失效基本上是發(fā)生在船與防撞結(jié)構(gòu)接觸碰撞區(qū)附近范圍內(nèi),遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)的構(gòu)件基本上不發(fā)生大的塑性變形。3.3撞擊船的動(dòng)能在碰撞過(guò)程中,滿足能量守恒定律。船舶的撞擊動(dòng)能(包括附加水質(zhì)量提供的動(dòng)能)將轉(zhuǎn)化為如下幾種能量:①撞擊船的彈塑性變形能及碰撞結(jié)束時(shí)刻撞擊船及附加水的剩余動(dòng)能;②防撞結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能及動(dòng)能;③構(gòu)件之間摩擦引起的熱能損失;④計(jì)算中由于沙漏現(xiàn)象損失的能量。圖6與圖7反映了撞擊船的動(dòng)能損失和能量轉(zhuǎn)換情況。從圖中可以看出,未設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)時(shí),撞擊船的動(dòng)能絕大部分被船艏通過(guò)塑性變形所吸收。設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)以后,到計(jì)算結(jié)束時(shí)刻撞擊船的變形能為1.35×107J,而防撞結(jié)構(gòu)的變形能為4.6×107J,其約占總碰撞能的77%。防撞結(jié)構(gòu)吸收的撞擊能量大約等于船艏吸收能量的3.4倍。所以說(shuō)防撞結(jié)構(gòu)通過(guò)塑性變形,起到了很好的吸能情況。圖8給出了防撞結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的吸能情況。變形能曲線表明,水平甲板吸收的能量最多,其次是橫縱艙壁,而外板吸收的能量最少。3.4碰撞過(guò)程的模態(tài)圖9～圖11給出了碰撞結(jié)束時(shí)刻,防撞結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的變形情況。由防撞結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果可以看出,防撞結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中,各構(gòu)件的變形模態(tài)由皺褶,拉伸,撕裂等模態(tài)組成。在碰撞開始階段,甲板和艙壁發(fā)生了皺褶,而當(dāng)撞深達(dá)到一定深度時(shí),防撞結(jié)構(gòu)的甲板和艙壁的中前部分發(fā)生了撕裂失效現(xiàn)象。4風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)文中利用大型非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/Dytran通過(guò)對(duì)一艘5000t級(jí)油船在8m/s的航速下正面撞擊某橋梁防撞結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬,并與橋無(wú)防護(hù)時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了分析比較,得到如下主要結(jié)論:1)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)能有效地降低對(duì)橋墩的直接破壞。在碰撞過(guò)程中,防撞結(jié)構(gòu)能有效降低碰撞力峰值。同時(shí)可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)防撞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及剛度,從而可以限制橋梁在碰撞中受到的最大碰撞力載荷。2)碰撞過(guò)程中碰撞能量主要被防撞結(jié)構(gòu)和撞擊船的變形能的形式吸收。防撞結(jié)構(gòu)通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的塑性變形大量地吸收碰撞能量(文中防撞結(jié)構(gòu)吸收的撞擊能量大約占碰撞能量的77%),從而消除傳遞到橋墩上的沖擊力或使其減小到非破壞水平,并對(duì)撞擊船起到一定程度的保護(hù)作用。3)防撞結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的吸能情況中,甲板吸收的能量最多,橫縱艙壁其次,而外板吸收的能量最少。由于防撞結(jié)構(gòu)外圍的變形位移最大