某桥梁防洪碰撞仿真分析

某桥梁防洪碰撞仿真分析

0船桥撞击及桥梁推动结构形式的研究随着船舶运输的快速发展，由船只坍塌引起的桥梁坍塌事件频发。这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失,严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果,重建桥梁和疏通航道的费用也十分惊人。因此,开展船桥碰撞及桥梁防撞结构形式的研究,对提高桥梁的耐撞性具有十分重要的意义。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。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模拟计算方法：调整船桥冲突1.1船桥碰撞问题的有限元分析船桥碰撞时,在很短的时间内(一般为1s左右),接触碰撞区附近的船艏构件发生塑性变形、屈曲、褶皱、崩溃和撕裂。桥墩在碰撞接触区产生高应力并发生整体位移从而引起总体变形应力。在碰撞过程中,除了船体、桥梁以外,船身周围的流体亦参与了能量交换与吸收。目前解决船桥碰撞问题的方法有经典的Minorsky方法、汉斯德鲁彻理论、各种简化解析方法、简化内部机理的数值解法、试验方法和有限元方法等。其中有限元法可反映的碰撞物理现象最为完备,得到的计算结果也最为准确。在有限元方法中,碰撞问题的运动方程可以一般地表示为:Ma+Cv+Kd=Fex(1)式中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;a为加速度向量;v为速度向量;d为位移向量;Fex为包括碰撞力在内的外力向量。经有限元离散处理后形成的瞬态动力学问题,适宜采用显式直接时域解法。应用显式中心差分法求解碰撞问题时,一个特别值得注意的问题是时间步长的选取,因为中心差分法是条件稳定的,其时间步长不能超过临界时间步长。实用中常以最小有限单元网格的特征长度除以应力波速来近似临界时间步长,即:Δt≤Δtcr=min(Le/C)(2)1.2应变率敏感性的本构方程船桥碰撞是一个动态响应过程,动力影响不能忽略。由于船舶和防撞结构低碳钢的塑性性能对应变率是高度敏感的,其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增加而增加,因此在材料模型中引入应变率敏感性的影响,以考虑碰撞问题的动力特性。材料应变率敏感性的本构方程有许多,这里采用与实验数据符合得较好的Cowper-Symonds本构方程。σ0′σ0=1+(ε/D)1/qσ0′σ0=1+(ε/D)1/q(3)式中:σ′0是在塑性应率ε时的动屈服应力;σ0是相应的静屈服应力;D和q为应变敏感率常数,对船用和防撞结构用钢而言,D=40.4、q=5。1.3主从面接触力相接结构(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接触面,接触面能有效地模拟相撞结构之间的相互作用,并允许结构之间连续不断的接触和滑动。使用主从面接触算法,在求解的每一时间步,检查从属节点的位置坐标,看它是否已经穿透主面,如果还没有穿透,则计算工作不受影响地继续进行;如果已经穿透,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。1.4界面刚度北力系数fyfn在摩擦问题中库伦摩擦最便于计算。在船桥碰撞问题中考虑接触摩擦力为库伦摩擦力,通过法向接触力计算得到接触摩擦力。若tn时刻摩擦力为Fn,在现时刻tn+1可能产生的摩擦力为F*=Fn-kΔe。k为界面刚度,Δe为接触点的位移。考虑到F*不能超过最大摩擦力Fy,其方向为Fy的方向。Fy=μ|fs|,μ为摩擦系数,fs为法向接触力。{Fn+1=F∗,|F∗|≤FyFn+1=FyF∗|F∗||F∗|≥Fy{Fn+1=F*,|F*|≤FyFn+1=FyF*|F*||F*|≥Fy(4)其中摩擦系数用动、静摩擦系数用指数插值函数来平滑过渡,算式为:μ=μd+(μs-μd)e-β|υ|(5)式中:μd为动摩擦系数;μs为静摩擦系数;β为衰减系数;υ为接触点的相对速度。2计算模型2.1结构主体组成防撞结构为钢质水密箱形浮体。钢质箱形浮体的平面形状呈长圆形,中间设有上下贯通的矩形开孔,桥墩从中穿过。防撞结构主体类似于船体结构,由内、外围壁,甲板,底板,纵、横舱壁等板架构件组成,并将浮箱分隔成若干水密区域。浮体主要参数如下:长(横桥向)为36.0m;宽(顺桥向)为18.0m;深度为4.0m;板厚为0.01m。2.2结构体系的描述取实船进行计算,实船取自5000t级油船,板厚12mm。计算模型对碰撞区域船艏结构,如:外板、各层甲板、平台、横舱壁、纵桁等均作了较细致的描述。对于艏尖舱之后的船体,因其远离碰撞区,实际并不产生变形,仅提供刚度和质量影响,故将其处理为刚性,有限元网格也放大。全船的质量分布于各单元上,且重心位于纵舯剖面。航速v为8m/s。2.3总体撞击作用被撞桥梁由上部双层钢连续桁梁和下部钢筋混凝土结构的桥墩组成,主墩尺寸为6m×18m。由于桥墩的刚性较大,在撞击过程中的变形较小,而上部结构对下部桥墩的变形影响更小,计算中忽略了这部分的影响。桥梁的计算模型仅考虑了直接承受撞击作用的桥墩,并按实际尺寸及结构建模。由于预应力混凝土管桩和钢筋混凝土沉井的基础刚性较好,所以建模时将桥墩底部处理为刚性固定,与实际情况较为符合。考虑大桥水域年平均水位,故将撞击位置取在基础以上30m处。碰撞有限元模型见图1所示。3计算与分析3.1多次装卸与多次几何组合图2给出了无防撞结构和有防撞结构的碰撞力(f)撞深(h)关系曲线。从图中可以看出,碰撞力具有明显的非线性,出现了多次卸载现象,每一次卸载代表了某种构件的失效或破坏。从总体来看,碰撞力随撞深的增加而增大。在未设置防撞结构时,桥墩受到的最大碰撞力达到了2.8×107N。设置防撞结构以后,由于防撞结构的作用,使得桥墩受到的冲击载荷明显下降,最大碰撞力降为1.8×107N,减少了大约31%。3.2风机塔架结构的损伤图3与图4分别给出了未安装防撞结构与安装防撞结构以后的撞击船船艏变形图。在未安装防撞结构时,碰撞结束时撞击船船艏的变形比较严重,整个球鼻艏部分全部被压进船体。而安装防撞结构以后,直到碰撞结束时刻,球鼻艏依然保持了较好的外形,大部分构件并没有大的损伤。这说明防撞结构对撞击船船艏也起到了很好的保护作用。防撞结构碰撞区域损伤变形的时序结果如图5所示。从图中可以看出,防撞结构的最大损伤变形发生在船艏部直接接触区域。碰撞过程中,首先是前端外板和相连部分的甲板、底板产生塑性变形吸收能量,进而波及内部横纵舱壁。计算表明碰撞一开始就伴随着构件的塑性屈曲失效,塑性失效基本上是发生在船与防撞结构接触碰撞区附近范围内,远离碰撞接触区的构件基本上不发生大的塑性变形。3.3撞击船的动能在碰撞过程中,满足能量守恒定律。船舶的撞击动能(包括附加水质量提供的动能)将转化为如下几种能量:①撞击船的弹塑性变形能及碰撞结束时刻撞击船及附加水的剩余动能;②防撞结构的弹塑性变形能及动能;③构件之间摩擦引起的热能损失;④计算中由于沙漏现象损失的能量。图6与图7反映了撞击船的动能损失和能量转换情况。从图中可以看出,未设置防撞结构时,撞击船的动能绝大部分被船艏通过塑性变形所吸收。设置防撞结构以后,到计算结束时刻撞击船的变形能为1.35×107J,而防撞结构的变形能为4.6×107J,其约占总碰撞能的77%。防撞结构吸收的撞击能量大约等于船艏吸收能量的3.4倍。所以说防撞结构通过塑性变形,起到了很好的吸能情况。图8给出了防撞结构中各构件的吸能情况。变形能曲线表明,水平甲板吸收的能量最多,其次是横纵舱壁,而外板吸收的能量最少。3.4碰撞过程的模态图9～图11给出了碰撞结束时刻,防撞结构各构件的变形情况。由防撞结构各构件的计算结果可以看出,防撞结构在碰撞过程中,各构件的变形模态由皱褶,拉伸,撕裂等模态组成。在碰撞开始阶段,甲板和舱壁发生了皱褶,而当撞深达到一定深度时,防撞结构的甲板和舱壁的中前部分发生了撕裂失效现象。4风机塔架结构的设计文中利用大型非线性动态响应分析程序MSC/Dytran通过对一艘5000t级油船在8m/s的航速下正面撞击某桥梁防撞结构的数值模拟,并与桥无防护时的结果进行了分析比较,得到如下主要结论:1)设置防撞结构能有效地降低对桥墩的直接破坏。在碰撞过程中,防撞结构能有效降低碰撞力峰值。同时可以通过合理设计防撞结构的结构形式及刚度,从而可以限制桥梁在碰撞中受到的最大碰撞力载荷。2)碰撞过程中碰撞能量主要被防撞结构和撞击船的变形能的形式吸收。防撞结构通过自身结构的塑性变形大量地吸收碰撞能量(文中防撞结构吸收的撞击能量大约占碰撞能量的77%),从而消除传递到桥墩上的冲击力或使其减小到非破坏水平,并对撞击船起到一定程度的保护作用。3)防撞结构各个构件的吸能情况中,甲板吸收的能量最多,横纵舱壁其次,而外板吸收的能量最少。由于防撞结构外围的变形位移最大