新型FRP橋墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亞迪, 張錫祥, 姜 旭

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

新型FRP橋墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亞迪, 張錫祥, 姜 旭

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

隨著航道通航量增加，對(duì)橋墩的防護(hù)不斷有新方法引入，基于在橋墩防撞結(jié)構(gòu)中首次引入FRP新型材料的防撞浮箱有限元仿真分析，探索這種新型結(jié)構(gòu)在橋墩防撞方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用FRP防撞浮箱能達(dá)到“既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷”的設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)長效防撞。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；橋墩；防撞浮箱；船舶；有限元仿真分析

重慶黃花園嘉陵江大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為137.16 m+3×250.00 m+137.16 m的五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其連續(xù)長度1 024.32 m。大橋于2000年建成交付使用后，大橋被船撞擊事故時(shí)有發(fā)生。為保證大橋安全，對(duì)船撞風(fēng)險(xiǎn)較大的2號(hào)主墩和3號(hào)主墩設(shè)計(jì)了圍護(hù)在橋墩墩柱周圍的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)防撞浮箱作為被動(dòng)防撞保護(hù)結(jié)構(gòu)，使橋墩受到不大于其設(shè)防船撞擊力的失控船舶撞擊時(shí)，經(jīng)FRP浮箱消能后傳給橋墩的船撞擊力小于橋墩的自身抗力，從而保證橋墩和全橋結(jié)構(gòu)安全。

一年當(dāng)中嘉陵江水位是不斷變化的，本文選取最低水位黃海高程174 m，具有代表作用的工況進(jìn)行計(jì)算分析。船按照1.5 m吃水深度取值，撞擊噸位和撞擊速度分別選擇設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最大撞擊噸位1 600 t和速度3 m/s。

1 有限元仿真分析目的

船橋碰撞是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問題，是通過碰撞區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的變形和壓潰，在短時(shí)間內(nèi)將巨大的沖撞能量吸收、轉(zhuǎn)化和耗散的非線性動(dòng)力響應(yīng)過程。應(yīng)用有限元仿真分析研究FRP應(yīng)用在橋梁防撞結(jié)構(gòu)中的耗能效果，通過有限元仿真計(jì)算為實(shí)際工程試驗(yàn)方案完善和試驗(yàn)參數(shù)選取提供依據(jù)，更期望通過試驗(yàn)與有限元仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比，檢驗(yàn)針對(duì)同一結(jié)構(gòu)和相同荷載工況及邊界條件進(jìn)行的結(jié)構(gòu)計(jì)算的可靠性及計(jì)算結(jié)果可信度，從而為黃花園大橋的橋墩FRP防撞浮箱工程施工圖設(shè)計(jì)提供既有科學(xué)依據(jù)、又有足夠精度還偏于安全的計(jì)算方法。

2 有限元模型的建立

2.1 代表船型選取和船舶有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算采用內(nèi)河航運(yùn)常用的駁船模型，總質(zhì)量1 600 t，船舶材料參數(shù)如表 1、表 2所示，船舶采用殼單元?jiǎng)澐?，為了減小計(jì)算量，船頭單元尺寸較小，平均尺寸10 cm，而船尾在撞擊過程中變形極小，可以采用剛性單元，最大單元尺寸取115 cm，全船共劃分單元20 262個(gè)，有限元模型如圖1。

表1 橋墩及船舶主要構(gòu)件的材料參數(shù)表

表2 船頭補(bǔ)充參數(shù)

圖1 撞擊船舶有限元模型

2.2 FRP防撞浮箱模型的建立

FRP橋墩防撞浮箱的總體結(jié)構(gòu)形式，為圍護(hù)在橋墩四周的FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)與附著于外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的一排FRP內(nèi)襯八邊形柱殼薄壁構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)。FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)，為浮箱的抗撞消能主體結(jié)構(gòu)和浮力平衡結(jié)構(gòu)；FRP內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結(jié)構(gòu)和撞擊緩沖結(jié)構(gòu)。

黃花園嘉陵江大橋FRP防撞浮箱材料及構(gòu)件基本力學(xué)性能根據(jù)拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、沖擊韌性試驗(yàn)等得出。FRP橋墩防撞浮箱新結(jié)構(gòu)，為全FRP結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件分別為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)或芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)桿系構(gòu)件或薄殼構(gòu)件。各構(gòu)件的材料選擇和截面尺寸，根據(jù)構(gòu)件的抗撞受力要求和能量吸收、動(dòng)量緩沖要求按復(fù)合材料力學(xué)理論分析計(jì)算和設(shè)計(jì)確定。

FRP防撞浮箱采用殼單元?jiǎng)澐?，單元主要控制尺寸?0 cm，為了提高計(jì)算速度，盡量采用四邊形單元進(jìn)行劃分，整個(gè)浮箱約劃分160 000單元，整個(gè)系統(tǒng)共約劃分26.4萬個(gè)單元，整個(gè)系統(tǒng)的有限元模型參見圖2。

圖2 FRP防撞浮箱有限元模型

2.3 橋墩模型的建立

本次計(jì)算選取受力不利的2號(hào)墩進(jìn)行，墩和主梁為固結(jié)體系，主梁質(zhì)量相當(dāng)大，在船-墩的碰撞過程中，碰撞時(shí)間非常短，主梁提供了強(qiáng)大的慣性約束，因此，主梁頂端可以簡化為固結(jié)模式，墩底為基巖，亦可采用固結(jié)模式。

橋墩采用六面體單元?jiǎng)澐?，主要單元尺寸為豎向50 cm長，截面尺寸為20 cm，在船舶撞擊部位，豎向尺寸加密，碰撞區(qū)最大豎向尺寸為20 cm，共約劃分84 000個(gè)單元。材料參數(shù)如表3。

表3 橋墩模型材料參數(shù)

2.4 單元退出計(jì)算的準(zhǔn)則

由于FRP材料的防撞浮箱材料為脆性材料，第一強(qiáng)度理論適用于這種脆性材料，該理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是使材料發(fā)生斷裂破壞的主要因素，即認(rèn)為不論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生斷裂。既然最大拉應(yīng)力的極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，于是就可用單向應(yīng)力狀態(tài)確定這一極限值。單向拉伸時(shí)只有σ1(σ2=σ3=0)，當(dāng)σ1達(dá)到強(qiáng)度極限σb時(shí)即發(fā)生斷裂。故據(jù)此理論得知，不論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到σb就導(dǎo)致斷裂。在模型試驗(yàn)中，F(xiàn)RP材料的拉伸強(qiáng)度已經(jīng)得到，橫向?yàn)?00 MPa，縱向?yàn)?50 MPa。按彈性材料計(jì)算，碰撞完成后，應(yīng)力超過150MPa的單元假設(shè)為破損單元，該方法結(jié)果為近似結(jié)果，計(jì)算速度較快。

3 碰撞及接觸條件的定義

接觸是碰撞分析常用的一種約束方式，整個(gè)浮箱由12個(gè)子箱組成，子箱之間通過卡榫連接。從力學(xué)模型上分析，是一種典型的接觸受力模式。本計(jì)算模型中，船和浮箱或橋墩之間LS-DYNA中提供的面—面接觸；浮箱與橋墩之間也采用面—面接觸；整個(gè)浮箱采用計(jì)算速度最快的自動(dòng)單面接觸模式。接觸參數(shù)：FRP材料之間的接觸靜摩擦系數(shù)取0.233，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.15；船舶靜摩擦系數(shù)取0.30，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.20；船舶對(duì)FRP箱或橋墩混凝土的靜摩擦系數(shù)取0.30，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.20； FRP材料與混凝土之間的靜摩擦系數(shù)取0.30，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.20。荷載以速度的方式體現(xiàn)，在船舶行駛方向設(shè)定計(jì)算速度3 m/s，不計(jì)加速度及自重。計(jì)算時(shí)間取3 s，試算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于裸墩而言，計(jì)算時(shí)間超過1s即可；對(duì)于帶FRP防撞浮箱的結(jié)構(gòu)，則采用3 s。

4 有限元仿真結(jié)果及分析

在裸墩工況下船撞整體有限元模型如圖3，船頭直接與橋墩接觸撞擊，橋墩與船頭剛度均較大，緩沖距離小、撞擊時(shí)間短、相互作用力大，對(duì)橋墩安全十分不利。

帶FRP防撞浮箱工況的船撞整體有限元模型如圖 4，F(xiàn)RP防撞浮箱為橋墩提供了緩沖，吸收了船的動(dòng)能，延長了接觸時(shí)間，使橋墩受力減少。

圖3 中心正撞裸墩頭部

圖4 中心正撞FRP防撞浮箱頭部

碰撞過程中，碰撞系統(tǒng)的能量是守恒的，碰撞過程也即是能量的轉(zhuǎn)換過程，從能量的狀態(tài)變化可以看出計(jì)算可靠性。在船舶撞擊裸墩的過程中，動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)換是主要出現(xiàn)的能量交換方式。裸墩及帶浮箱船撞計(jì)算的能量變化狀態(tài)參見圖5～圖7，橋墩受撞擊力變化參見圖8～圖9。

圖5 裸墩工況系統(tǒng)能量變化

圖6 帶FRP防撞箱工況系統(tǒng)能量變化

圖7 FRP防撞浮箱能量變化

圖8 裸墩工況橋墩受到的撞擊力結(jié)果

圖9 帶FRP防撞浮箱工況橋墩受到的撞擊力結(jié)果

從能量角度分析，對(duì)于裸墩而言，船舶動(dòng)能減小而內(nèi)能迅速增加，說明船舶變形極大；而撞擊FRP浮箱時(shí)，船舶的內(nèi)能增加較小，但FRP浮箱的內(nèi)能增加極快，說明FRP浮箱產(chǎn)生了較大的變形，吸收了能量。橋墩兩端約束，無法大幅度運(yùn)動(dòng)，因此以內(nèi)能為主，并且在帶有FRP浮箱時(shí)，內(nèi)能峰值出現(xiàn)比裸墩時(shí)晚，船直接撞擊裸墩時(shí)，峰值出現(xiàn)時(shí)間沒有超過0.6 s，而采用浮箱保護(hù)后，撞擊峰值出現(xiàn)的時(shí)間都超過了1.6 s。從能量的角度可以看出，F(xiàn)RP浮箱作用是非常明顯的，吸收了能量的同時(shí)，減小了橋墩能量的峰值并且延長了橋墩能量峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

表4 FRP防撞浮箱的船撞動(dòng)能轉(zhuǎn)換及其消能比例計(jì)算結(jié)果

從橋墩受到船撞擊力角度分析，橋墩受到的撞擊力計(jì)算對(duì)比結(jié)果如表5，可以看出帶有FRP浮箱撞擊工況下的橋墩應(yīng)力相比裸墩受船撞擊時(shí)的應(yīng)力降低幅度極大，說明FRP防撞浮箱保護(hù)橋墩效果顯著。

表5 橋墩的船撞擊力計(jì)算對(duì)比結(jié)果

從船頭受到的應(yīng)力角度分析如圖10、圖11，采用FRP浮箱保護(hù)后，船頭的應(yīng)力有大幅度降低；船舶撞擊凹陷深度會(huì)有較大幅度的降低，撞擊并未對(duì)船舶整體產(chǎn)生破壞性作用，僅局部產(chǎn)生變形，表明FRP浮箱能夠達(dá)到“少傷船”的目的，說明FRP防撞浮箱保護(hù)船舶效果顯著。FRP防撞浮箱的變形能力也使得自身在發(fā)生變形后有較少損傷，損傷組件可方便更換，整體結(jié)構(gòu)可繼續(xù)使用。綜上所述，就數(shù)值計(jì)算結(jié)果而言，F(xiàn)RP防撞浮箱能達(dá)到“既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷”的設(shè)計(jì)目的。

圖10 裸墩撞擊工況船首變形

圖11 帶FRP防撞浮箱撞擊工況 船首及浮箱變形圖

5 結(jié)論

橋梁防撞結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年發(fā)展，防護(hù)系統(tǒng)的種類已經(jīng)很多，能夠給予橋梁長期的穩(wěn)定、安全、易于維護(hù)的防撞保護(hù)逐漸成為可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，F(xiàn)RP防撞浮箱充分發(fā)揮新材料的特性，加以合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在撞擊吸能方面有突出優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)的高度非線性使撞擊時(shí)間大大延長，撞擊過程中對(duì)船和橋墩應(yīng)力時(shí)程曲線趨于緩和，既保護(hù)了橋梁又保護(hù)了船舶。同時(shí)，浮箱結(jié)構(gòu)的模塊化組件，單構(gòu)件質(zhì)量輕，在發(fā)生撞擊后部分組件如發(fā)生破損可快速方便的更換組件，恢復(fù)整體結(jié)構(gòu)可用性。本次計(jì)算中FRP的材料優(yōu)勢(shì)明顯，為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形非線性變形后產(chǎn)生盡可能少的結(jié)構(gòu)自傷只有較好效果，F(xiàn)RP在其他結(jié)構(gòu)類型防撞裝置中的應(yīng)用也應(yīng)進(jìn)行探索嘗試。

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Finite element analysis of late—model frp floating pontoon for bridge piers in ship collision

DU Bai-song， LI Ya-di， ZHANG Xi-xiang， JIANG Xu

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

With the rising volume of navigation channels, new methods for the protection of bridge piers were introduced. This paper, based on the firstly introduced finite element analysis of FPR floating pontoonfor protection of bridge piers in the ship collision, explores the advantages of this new structure in collision avoidance of bridge piers. With the usage of FPR floating pontoon, the design goal of “no harm to piers, no harm to ships, decreased self-hurt of the structure” can be obtained so as to achieve long-term protection.

fiber reinforce plastic；bridge piers；floating pontoon；ships；finite element analysis

2013-12-20

杜柏松(1976-)，男，湖北黃岡人，博士，重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院副教授。

1674-7046(2014)01-0010-05

U443.22

A