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結構形式的研究隨著船舶運輸?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構、使用壽命、安全性及抗震能力的損失,嚴重的更會造成橋毀人亡等災難性后果,重建橋梁和疏通航道的費用也十分驚人。因此,開展船橋碰撞及橋梁防撞結構形式的研究,對提高橋梁的耐撞性具有十分重要的意義。目前國內外理論研究、碰撞實例調查和模型實驗的研究焦點集中在船舶撞擊橋梁的概率、船舶的撞擊動能、船舶對橋墩或防撞系統(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與計算機硬件的發(fā)展,使得船橋碰撞直接數(shù)值模擬成為可能。通過仿真計算,船舶與橋梁的接觸、損傷變形、碰撞力和能量吸收的時間歷程可以重現(xiàn)。1模擬計算方法：調整船橋沖突1.1船橋碰撞問題的有限元分析船橋碰撞時,在很短的時間內(一般為1s左右),接觸碰撞區(qū)附近的船艏構件發(fā)生塑性變形、屈曲、褶皺、崩潰和撕裂。橋墩在碰撞接觸區(qū)產生高應力并發(fā)生整體位移從而引起總體變形應力。在碰撞過程中,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題的方法有經典的Minorsky方法、漢斯德魯徹理論、各種簡化解析方法、簡化內部機理的數(shù)值解法、試驗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,得到的計算結果也最為準確。在有限元方法中,碰撞問題的運動方程可以一般地表示為:Ma+Cv+Kd=Fex(1)式中:M為質量矩陣;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為包括碰撞力在內的外力向量。經有限元離散處理后形成的瞬態(tài)動力學問題,適宜采用顯式直接時域解法。應用顯式中心差分法求解碰撞問題時,一個特別值得注意的問題是時間步長的選取,因為中心差分法是條件穩(wěn)定的,其時間步長不能超過臨界時間步長。實用中常以最小有限單元網(wǎng)格的特征長度除以應力波速來近似臨界時間步長,即:Δt≤Δtcr=min(Le/C)(2)1.2應變率敏感性的本構方程船橋碰撞是一個動態(tài)響應過程,動力影響不能忽略。由于船舶和防撞結構低碳鋼的塑性性能對應變率是高度敏感的,其屈服應力和拉伸強度極限隨應變率的增加而增加,因此在材料模型中引入應變率敏感性的影響,以考慮碰撞問題的動力特性。材料應變率敏感性的本構方程有許多,這里采用與實驗數(shù)據(jù)符合得較好的Cowper-Symonds本構方程。σ0′σ0=1+(ε/D)1/qσ0′σ0=1+(ε/D)1/q(3)式中:σ′0是在塑性應率ε時的動屈服應力;σ0是相應的靜屈服應力;D和q為應變敏感率常數(shù),對船用和防撞結構用鋼而言,D=40.4、q=5。1.3主從面接觸力相接結構(或構件)之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結構之間定義接觸面,接觸面能有效地模擬相撞結構之間的相互作用,并允許結構之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。使用主從面接觸算法,在求解的每一時間步,檢查從屬節(jié)點的位置坐標,看它是否已經穿透主面,如果還沒有穿透,則計算工作不受影響地繼續(xù)進行;如果已經穿透,則在垂直于主面的方向上施加一作用力,以阻止從屬節(jié)點的進一步穿透,這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側的單元特性。1.4界面剛度北力系數(shù)fyfn在摩擦問題中庫倫摩擦最便于計算。在船橋碰撞問題中考慮接觸摩擦力為庫倫摩擦力,通過法向接觸力計算得到接觸摩擦力。若tn時刻摩擦力為Fn,在現(xiàn)時刻tn+1可能產生的摩擦力為F*=Fn-kΔe。k為界面剛度,Δe為接觸點的位移。考慮到F*不能超過最大摩擦力Fy,其方向為Fy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、靜摩擦系數(shù)用指數(shù)插值函數(shù)來平滑過渡,算式為:μ=μd+(μs-μd)e-β|υ|(5)式中:μd為動摩擦系數(shù);μs為靜摩擦系數(shù);β為衰減系數(shù);υ為接觸點的相對速度。2計算模型2.1結構主體組成防撞結構為鋼質水密箱形浮體。鋼質箱形浮體的平面形狀呈長圓形,中間設有上下貫通的矩形開孔,橋墩從中穿過。防撞結構主體類似于船體結構,由內、外圍壁,甲板,底板,縱、橫艙壁等板架構件組成,并將浮箱分隔成若干水密區(qū)域。浮體主要參數(shù)如下:長(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結構體系的描述取實船進行計算,實船取自5000t級油船,板厚12mm。計算模型對碰撞區(qū)域船艏結構,如:外板、各層甲板、平臺、橫艙壁、縱桁等均作了較細致的描述。對于艏尖艙之后的船體,因其遠離碰撞區(qū),實際并不產生變形,僅提供剛度和質量影響,故將其處理為剛性,有限元網(wǎng)格也放大。全船的質量分布于各單元上,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構的橋墩組成,主墩尺寸為6m×18m。由于橋墩的剛性較大,在撞擊過程中的變形較小,而上部結構對下部橋墩的變形影響更小,計算中忽略了這部分的影響。橋梁的計算模型僅考慮了直接承受撞擊作用的橋墩,并按實際尺寸及結構建模。由于預應力混凝土管樁和鋼筋混凝土沉井的基礎剛性較好,所以建模時將橋墩底部處理為剛性固定,與實際情況較為符合?？紤]大橋水域年平均水位,故將撞擊位置取在基礎以上30m處。碰撞有限元模型見圖1所示。3計算與分析3.1多次裝卸與多次幾何組合圖2給出了無防撞結構和有防撞結構的碰撞力(f)撞深(h)關系曲線。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件的失效或破壞。從總體來看,碰撞力隨撞深的增加而增大。在未設置防撞結構時,橋墩受到的最大碰撞力達到了2.8×107N。設置防撞結構以后,由于防撞結構的作用,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風機塔架結構的損傷圖3與圖4分別給出了未安裝防撞結構與安裝防撞結構以后的撞擊船船艏變形圖。在未安裝防撞結構時,碰撞結束時撞擊船船艏的變形比較嚴重,整個球鼻艏部分全部被壓進船體。而安裝防撞結構以后,直到碰撞結束時刻,球鼻艏依然保持了較好的外形,大部分構件并沒有大的損傷。這說明防撞結構對撞擊船船艏也起到了很好的保護作用。防撞結構碰撞區(qū)域損傷變形的時序結果如圖5所示。從圖中可以看出,防撞結構的最大損傷變形發(fā)生在船艏部直接接觸區(qū)域。碰撞過程中,首先是前端外板和相連部分的甲板、底板產生塑性變形吸收能量,進而波及內部橫縱艙壁。計算表明碰撞一開始就伴隨著構件的塑性屈曲失效,塑性失效基本上是發(fā)生在船與防撞結構接觸碰撞區(qū)附近范圍內,遠離碰撞接觸區(qū)的構件基本上不發(fā)生大的塑性變形。3.3撞擊船的動能在碰撞過程中,滿足能量守恒定律。船舶的撞擊動能(包括附加水質量提供的動能)將轉化為如下幾種能量:①撞擊船的彈塑性變形能及碰撞結束時刻撞擊船及附加水的剩余動能;②防撞結構的彈塑性變形能及動能;③構件之間摩擦引起的熱能損失;④計算中由于沙漏現(xiàn)象損失的能量。圖6與圖7反映了撞擊船的動能損失和能量轉換情況。從圖中可以看出,未設置防撞結構時,撞擊船的動能絕大部分被船艏通過塑性變形所吸收。設置防撞結構以后,到計算結束時刻撞擊船的變形能為1.35×107J,而防撞結構的變形能為4.6×107J,其約占總碰撞能的77%。防撞結構吸收的撞擊能量大約等于船艏吸收能量的3.4倍。所以說防撞結構通過塑性變形,起到了很好的吸能情況。圖8給出了防撞結構中各構件的吸能情況。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碰撞過程的模態(tài)圖9～圖11給出了碰撞結束時刻,防撞結構各構件的變形情況。由防撞結構各構件的計算結果可以看出,防撞結構在碰撞過程中,各構件的變形模態(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,而當撞深達到一定深度時,防撞結構的甲板和艙壁的中前部分發(fā)生了撕裂失效現(xiàn)象。4風機塔架結構的設計文中利用大型非線性動態(tài)響應分析程序MSC/Dytran通過對一艘5000t級油船在8m/s的航速下正面撞擊某橋梁防撞結構的數(shù)值模擬,并與橋無防護時的結果進行了分析比較,得到如下主要結論:1)設置防撞結構能有效地降低對橋墩的直接破壞。在碰撞過程中,防撞結構能有效降低碰撞力峰值。同時可以通過合理設計防撞結構的結構形式及剛度,從而可以限制橋梁在碰撞中受到的最大碰撞力載荷。2)碰撞過程中碰撞能量主要被防撞結構和撞擊船的變形能的形式吸收。防撞結構通過自身結構的塑性變形大量地吸收碰撞能量(文中防撞結構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,并對撞擊船起到一定程度的保護作用。3)防撞結構各個構件的吸能情況中,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。由于防撞結構外圍的變形位移最大