船舶与桥梁碰撞力学的仿真分析

船舶与桥梁碰撞力学的仿真分析

0水体与桥梁碰撞在繁忙的内河和沿海地区，经常发生交通事故，桥梁和道路损坏。尽管并非每一次船-桥碰撞事故都造成桥毁人亡的重大损失,但是桥梁被撞使大桥结构受到损伤,桥梁使用寿命、安全性及抗震能力都受到一定程度的损失。目前人们对船-桥碰撞问题投入了越来越多的关注。碰撞中除了桥梁结构、船舶结构、及防撞系统结构外,流体介质也参与了能量吸收,影响碰撞的过程和结果。碰撞是船体和桥墩及防撞系统结构在很短的时间内(2秒左右),在巨大碰撞载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程,碰撞中存在着大量的非线性现象,如材料非线性、几何非线性、接触非线性和运动非线性等。在碰撞中船-桥结构变形、失效和船体刚体运动同时发生,相互影响。土壤与桥桩之间也存在非线性动力耦合问题。目前国内外理论研究、碰撞实例调查和模型实验的研究焦点集中在船舶撞击桥梁的概率、船舶的撞击动能、船舶对桥墩或防撞系统的撞击力及船舶与桥墩或防撞系统的能量吸收等方面。目的是在工程设计中提高桥梁在船舶桥梁碰撞事故中的安全性,以及为事故后期的损伤评估和维修决策提供科学依据。随着非线性有限元技术与计算机硬件的发展,使得船-桥碰撞直接数值模拟成为可能。通过仿真计算,船舶与桥梁的接触、损伤变形、碰撞力和能量吸收的时间历程可以重现。1目前，船桥误差力学的计算关于船-桥碰撞问题目前主要有以下几种比较典型的计算方法。1.1船-船碰撞的基础Minorsky船-船碰撞理论自1975年公开发表后,已为众多的实验所证实,由此奠定了船-船碰撞的分析基础,并推广应用于船-桥碰撞,为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky的研究工作主要是将船-船碰撞问题分为两个相互独立的部分,即动能损失和结构损伤,并用统计分析方法将它们联系在一起。1.2公路桥梁预防船舶撞击的措施汉斯和德鲁彻教授根据CG—71955—A合同研究提出的,主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击。该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型,计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持续时间。1.3对比文柳为三维时的计算方法数值解法产生于船-船碰撞理论,引伸到船-桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Petersen方法和梁文娟计算方法。前者提出的方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动,归结为两维问题。后者将该问题扩展为三维情况,考虑了碰撞中船舶六个自由度运动。在该方法中流体动力用切片法计算,碰撞力则假设为贯入量的非线性函数,通过六根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时,就成为船-桥碰撞的模拟计算。1.4模型损伤理论公式简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型,导出这些简化模型损伤的理论公式,分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能,最后合成总的船舶结构碰撞损伤力和能量。例如GeWang等和DTU的DEXTRA程序等。简化解析法是一种非耦合的方法。1.5船-船碰撞试验通过碰撞模型实验,直接测量船-桥碰撞中碰撞力、变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵,一般难以实施。有关资料表明从六十年代初开始,日本、德国等国的学者相继完成了少量船-船碰撞试验,而船-桥碰撞试验的资料还未发现。船舶工程2002年第5期·5·1.6接触算法中接触力的生成有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用关系,在计算象船舶这样具有复杂构件形式的结构受力变形时,更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。在有限元方法中,相撞结构(或构件)之间的相互作用通过接触算法来完成。在可能发生接触作用的结构之间定义主从接触面,分别定义在两个不同的结构(或构件)上。见图1。在求解的每一时间步,检查从属节点是否已经穿透主面,如果还没有穿透,则计算工作继续进行;否则在垂直于主面的方向上施加一作用力以阻止从属节点的进一步穿透,这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性。计算中碰撞力的输出是通过定义船-桥之间的接触面,以接触力的形式给出的。2船-桥碰撞仿真本文借助于大型显示瞬态非线性有限元计算程序MSC/DYTRAN,仿真计算了一艘4万吨级油轮的有球鼻船艏与长江上某一斜拉索桥的桥墩正向碰撞的整个过程,见图2。利用MSC/DYTRAN程序进行船-桥碰撞仿真计算,需要解决结构模型化、材料模型化、流场介质处理等一系列的技术问题。考虑到船-桥碰撞与船-船碰撞力学特征及机理的相似性,本文在进行船-桥碰撞仿真计算中,借鉴了船-船碰撞仿真计算技术。2.1海洋实际水体尺寸撞击船计算模型和桥梁计算模型的形式与尺寸分别参考了某艘4万吨级油船和长江上的某座斜拉索大桥的实际形式和尺寸。船和桥计算模型的主要尺度见表1和表2。2.1.1计算结果及分析对碰撞区船艏结构,按照油船实际构件的布置和尺度,计算模型作了比较精细地描述。其中包括外板、各层甲板、横向舱壁等主要板材及主要纵向桁材,参见图3。简化后计算模型得到的结果能够相当真实地反映碰撞中船艏的变形及吸能情况。最小单元网格的边长为15cm,船体中后部因远离碰撞基础区,实际上不发生变形,而仅提供刚度和质量的影响,因此可用刚性板简化模拟船体后部结构,从而形成整船-桥梁计算模型。全船质量分布于船身及船头的各单元上,重心位于纵舯剖面上。船艏碰撞区材料考虑了船体材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。2.1.2等效桩法表达桥梁有限元计算模型由桥塔、桥面和斜拉索三部分组成。其中桥塔由墩桩、承台、墩柱、墩帽及上部结构组成。采用非线性桩土关系可以真实的反映桥桩与土之间的力学耦合过程,但由于在冲击载荷作用下,对土的特性以及土与桩、土与结构基础等材料非线性、几何非线性的把握都十分困难,使得桩土动力相互作用问题成为公认的复杂的研究课题之一。本文借用了海洋工程中计算平台桩土作用关系的做法,即采用了等效桩法来表达桥梁桩土的作用。根据规范等效桩的长度取为8倍桩径,下端刚性固定。承台、墩柱、墩帽和上部结构由钢筋混凝土材料构成。混凝土部分选用了Colorado混凝土帽盖材料模型,用块单元表达。对于钢筋构件,为了减小计算量,将相邻一米内的若干细钢筋,按照截面积叠加的原理,得到一根直径较粗的等效钢筋。在计算模型中,该等效钢筋采用梁单元表达,并选用理想弹塑性材料模型。桥面由板单元组成,斜拉索由只提供轴向力的杆单元表达。至于碰撞中周围流场的影响,本文中通过一大小为船体总质量0.04倍的附加水质量来表达,附加水的质量通过加大模型中船体部分板单元的密度而实现。船-桥碰撞计算模型参见图4。2.2计算结果和分析2.2.1撞击后的船舶动能和变形能计算显示,在碰撞过程中,船艏结构与桥墩接触部分逐渐崩溃并压入船体,其压入长度称为撞深。以船舶动能损失99%的时刻作为碰撞结束,则碰撞时间为2.8秒,见图5。此刻撞击船舶的撞深达到了10.3米,见图6。图5给出的在碰撞过程中船舶的动能和变形能变化曲线可以看出,船舶的动能损失几乎等于船舶的变形能增加值。这说明在船桥碰撞过程中撞击船的碰撞能量基本上被船舶本身以变形能的形式加以吸收,而桥梁吸收的能量很少,可以忽略。2.2.2船-桥碰撞力计算公路桥图7显示碰撞过程中碰撞力的变化情况。可以看出,碰撞力曲线具有很强的非线性波动特征,这说明在碰撞过程中船体结构出现多次卸载现象,每一次卸载代表了某种构件的失效或破坏。从总体上看,碰撞力随撞深的增加而增大,图中显示最大碰撞力出现在峰值A处,T=2.65秒,Pmax=163MN(包括船艏与承台的接触碰撞力和船艏与桥柱的接触碰撞力)。按能量与撞深定义的平均碰撞力为:Pm=EkS=9.09×10210.3=88MN(1)Ρm=EkS=9.09×10210.3=88ΜΝ(1)式中Ek为船舶的碰撞能量,S为船舶的最大撞深。船舶工程2002年第5期·7·最大碰撞力与平均碰撞力的比值为:PmaxPm=16388=1.85(2)ΡmaxΡm=16388=1.85(2)与1976年德国沃辛试验结果表明的最大碰撞力约为平均碰撞力2倍的结论相吻合。沃辛计算经验公式给出最大碰撞力为:Pmax=0.88×DWT−−−−−√×(1±50％)=0.88×4.0×104−−−−−−−−√×(1±50％)=176±88MN(3)Ρmax=0.88×DWΤ×(1±50％)=0.88×4.0×104×(1±50％)=176±88ΜΝ(3)我国1989年的《公路桥涵设计规范》给出最大碰撞力为:Pmax=2⋅Pm=2⋅W⋅Vg⋅t=200MN(4)Ρmax=2⋅Ρm=2⋅W⋅Vg⋅t=200ΜΝ(4)式中,W为船舶的重量,V为碰撞初始时船舶的速度,t为碰撞时间,g为重力加速度。美国指导规范给出最大碰撞力为:Pmax=0.98DWT−−−−−√V8=165MN(5)Ρmax=0.98DWΤV8=165ΜΝ(5)显然,经验公式的计算结果比本计算的结果偏高,但在接近的数值范围内。船-桥碰撞力值的大小除了与撞击船首部的刚度,撞击船的动能有关外,还直接取决于桥墩与撞击船的大小对比,桥墩的外形、水深、撞击方向等因素。经验公式无法表达这些特征,而有限元法却可以很好地表达各种结构特征并显示整个碰撞过程中碰撞力的演变情况。2.2.3桥梁与船桥的变形仿真可以给出船舶与桥梁两方面的变形。计算表明桥墩的变形要远远小于船的变形,例如在最大碰撞力时刻T=2.65秒,桥墩的最大变形仅为0.13米,而此时船舶的撞深已经达到10米左右。显然与船舶的变形相比,桥墩的变形完全可以忽略,参见图8。为了显示桥梁的变形情况,需要单独显示桥墩变形,并将显示比例放大。图9、图10、图11中分别显示了撞击船和桥梁的响应位移,其中图10的变形显示比例为放大50倍,图11的变形显示比例为放大300倍。计算表明在由于船桥碰撞引起的巨大冲击载荷作用下,整个桥梁均发生了位移变形。被撞桥塔由于承台部分受到巨大的水平冲击载荷而发生了整体弯曲,导致桥面发生了水平位移,并引起另外一个桥塔的位移变形。2.2.4大桥局部损伤和整体损伤在船-桥碰撞过程中,由于桥梁整体和局部永久性损伤引起大桥承载能力减弱,部件结构和整体结构损伤,导致大桥抵抗各种灾害能力下降,存在灾难性的事故隐患。用非线性有限元法可以对船只撞击大桥过程中大桥各个部件及整体的应力分析、位移响应等重要信息进行仿真再现。按照一定的材料损伤准则,便可以对大桥局部损伤和整体损伤进行判别,得到当前大桥局部损伤指数和整体损伤指数,确定大桥当前的服役状态。图12给出了与油船接触碰撞的桥塔在T=2.65s时刻的应力分布图。桥墩在受到船舶碰撞的过程中,主要在以下几个区域出现了高应力:(1)撞击船与桥墩承台的碰撞接触面及附近区域。该区域高应力是由于局部集中载荷引起的,分布范围较小,会引起局部混凝土断裂失效,对桥墩承台的损伤有限。(2)桥柱与承台连接端及附近区域,该处高应力是由于桥柱的整体弯曲造成的。(3)桥桩与承台连接端及附近区域,该处高应力是由于桥桩弯曲变形引起的。以上(2)、(3)两个高应力区分布范围大,对桥墩的损伤是主要的。本计算中,接触碰撞区主要发生在承台与船艏球鼻接触的地方,而桥柱与撞击船只在碰撞过程结束时段发生接触碰撞,产生的碰撞力相对较小,对桥墩的损伤不大。3损伤区的划分(1)利用显式瞬态线性有限元分析技术,可以对船-桥碰撞全过程进行成功的数值仿真分析。通过接触碰撞和自碰撞的定义,有限元法可以很好地仿真结构变形接触中的相互影响以及自身变形接触的影响。因此在计算象船舶这样具有复杂构件的撞击破损问题时,有限元法显示出相当突出的优势。可以比较精细地再现结构内部动力学过程,并对船-桥碰撞力和能量转化的整个时间历程进行全面细致的仿真再现,这是其他方法所不能实现的。(2)船-桥碰撞过程一般在2秒左右的时间内完成。碰撞力曲线表现为具有很强的非线性特征,呈多个峰谷变化。这说明在整个碰撞过程中,始终伴随着撞击船舶体构件的不断失效和破坏造成的卸载现象。碰撞力取决于船舶在某一时刻所有发生屈曲变形构件的总强度,从整体上看碰撞力是随着撞深的增加而增大的。(3)在能量方面,撞击船的碰撞动能基本上是被撞击船以变形能的形式吸收。相对撞击船来说,桥梁在吸收能量方面的作用很小,可以忽略。(4)在船-桥碰撞过程中,在巨大碰撞冲击载荷作用下,整个桥梁均发生了位移变形。被撞桥塔由于承台部分受到巨大的水平冲击载荷而发生了整体弯曲,导致桥面发生了水平位移,并引起另外一个桥塔的位移变形。与船舶的撞深相比,桥梁的位移的幅值是比较小的。(5)桥梁在碰撞中的破坏主要取决于所受