移動(dòng)及沖擊荷載作用下浮式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)分析

任海龍,陳銳林,陳 歡,戴可以

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

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移動(dòng)及沖擊荷載作用下浮式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)分析

任海龍,陳銳林,陳 歡,戴可以

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

摘 要:以福建南平樟湖庫(kù)區(qū)大橋的浮式平臺(tái)為背景,采用ANSYS建立浮式平臺(tái)的有限元模型并且引用水彈簧理論,計(jì)算其在移動(dòng)及沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng).結(jié)果表明: 浮式平臺(tái)在移動(dòng)荷載作用下考慮與不考慮附加水質(zhì)量和水動(dòng)力阻尼時(shí),其動(dòng)力響應(yīng)并不明顯; 而在沖擊荷載作用下,浮式平臺(tái)考慮與不考慮附加水質(zhì)量和水動(dòng)力阻尼時(shí)則有較大區(qū)別.考慮水動(dòng)力阻尼時(shí)位移、加速度響應(yīng)衰減得快; 不考慮水動(dòng)阻尼時(shí)浮式平臺(tái)固有頻率增大,周期峰值逐漸衰減.

關(guān)鍵詞:浮式平臺(tái); 移動(dòng)荷載及沖擊荷載; 有限元; 動(dòng)力響應(yīng)

隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展,橋梁施工經(jīng)常面臨在深水中施工的情況,浮式施工平臺(tái)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入施工快等特點(diǎn)越來(lái)越廣泛地被用于橋梁施工當(dāng)中.

郭煜[1]等在千島湖大橋采用浮箱組成浮式平臺(tái)應(yīng)用在深水大直徑鉆孔樁施工中.鄒紀(jì)民[2]等采用鐵駁船組成的浮式平臺(tái)進(jìn)行鉆孔樁施工.符昭星[3]等介紹了忠縣長(zhǎng)江公路大橋采用浮式平臺(tái)與鋼吊箱相結(jié)合的方法進(jìn)行主墩基礎(chǔ)的施工.廖文華[4]通過(guò)對(duì)新建蘭渝鐵路渠江特大橋庫(kù)區(qū)深水裸巖高樁承臺(tái)施工浮式平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),研究出采用小浮箱組拼浮式平臺(tái)的施工方法,解決了庫(kù)區(qū)、大型水上設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)的庫(kù)區(qū)深水裸巖基礎(chǔ)的施工難題.

利用浮箱組拼浮橋的分析模型大多將浮橋簡(jiǎn)化為作用在彈性地基上的二維梁?jiǎn)卧Ｐ?施麗娟[5]等將浮橋簡(jiǎn)化為一個(gè)閉合的空心薄壁梁; 傅世曉[6]等采用殼單元和考慮偏心影響的梁?jiǎn)卧M合對(duì)浮橋進(jìn)行有限元建模.對(duì)于浮箱與浮箱之間的連接問(wèn)題,詹豪[7]把浮橋接頭考慮成半剛性接頭.付世曉[8]研究浮橋在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)時(shí),以非線性有限元為基礎(chǔ),考慮了橋節(jié)間非線性連接的影響.王琮[9]在對(duì)波浪及移動(dòng)載荷作用下浮橋的水彈性響應(yīng)分析時(shí),是將浮橋的連接件簡(jiǎn)化為承受單一軸向拉—壓的三維線性桿單元等.

本文以福建南平樟湖庫(kù)區(qū)大橋?yàn)樾藿◣?kù)區(qū)深水樁基礎(chǔ)所搭建的浮式平臺(tái)為背景,研究浮式平臺(tái)在移動(dòng)和沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng).

1　工程概況

南平樟湖庫(kù)區(qū)大橋主墩位于水中,樟湖庫(kù)區(qū)正常蓄水位65.0m,水深40m左右.由于庫(kù)區(qū)條件限制,大型工程駁船無(wú)法進(jìn)入施工場(chǎng)地,綜合考慮其承載能力及經(jīng)濟(jì)性等要求,經(jīng)過(guò)多次方案比選,最終選用專用工程浮箱作為浮體,通過(guò)專用工程浮箱組拼成浮式平臺(tái)作為鉆孔樁基礎(chǔ)施工平臺(tái).浮式平臺(tái)上部的縱橫梁用萬(wàn)能桿件連接,并在上面架設(shè)龍門起吊設(shè)備等作為鉆孔施工的作業(yè)平臺(tái).浮式平臺(tái)主要承受荷載有龍門荷載,平臺(tái)施工荷載,平臺(tái)自重以及浮力.單個(gè)浮箱結(jié)構(gòu)外形尺寸為9m×3m×1.5m(長(zhǎng)×寬×高),使用該類型浮箱組成3n×9×1.5(n為浮箱的個(gè)數(shù))的大型浮式平臺(tái).

2　結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及其簡(jiǎn)化

為了保證拼裝浮式平臺(tái)的剛浮箱能正常工作并具有足夠的承載能力,需對(duì)組成浮式平臺(tái)的剛浮箱進(jìn)行整體性能以及各構(gòu)件的應(yīng)力等受力分析.

圖1為由24個(gè)浮箱組成的浮式平臺(tái),組拼該浮式平臺(tái)的浮箱是采用殼單元與梁?jiǎn)卧M合進(jìn)行離散的.由于浮箱實(shí)際構(gòu)造和受力情況比較復(fù)雜,在對(duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行有限元的建模分析中,擬采用半剛接體系.在建立浮箱有限元模型時(shí),箱體模型采用板梁組合結(jié)構(gòu),采用beam188單元來(lái)模擬浮箱的龍骨、實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等; 采用shell63單元來(lái)模擬舷側(cè)板、底板、甲板等,浮箱的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為9m×3m×1.5m.

本文所分析的浮式平臺(tái),考慮到浮箱之間的拼裝方便及連接的可靠性,浮箱之間的連接方式采用的是上部單雙耳接頭及下部丙丁鉤接頭,如圖2所示.

3　浮式平臺(tái)的模態(tài)分析

圖1 浮箱浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 浮箱丙丁鉤和單雙耳連接形式

3.1 浮式平臺(tái)的振型

在進(jìn)行浮式平臺(tái)的模態(tài)分析時(shí),采用Block Lanczons(分塊蘭索斯法)和Subspace(子空間迭代法)兩種方法進(jìn)行計(jì)算,兩種方法的計(jì)算結(jié)果很接近.由于浮式平臺(tái)用有限元法離散后結(jié)構(gòu)的自由度很大,很難將所有的振型都計(jì)算出來(lái),故采用有效模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)作為模態(tài)選擇的依據(jù),以各自由度方向有效模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)大于90%作為模態(tài)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn).本文算出了浮式平臺(tái)的前二十階自振頻率和振型,下面僅列舉第一階和第十九階振型圖,如圖3、圖4所示.

圖3 第一階振型(0.758Hz)　

圖4 第十九階振型(14.487Hz)

3.2 附加質(zhì)量及阻尼系數(shù)

由于浮式平臺(tái)在工作時(shí),箱體大部分浸沒(méi)在水中,浮式平臺(tái)周圍的水隨著浮式平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng),這部分水對(duì)浮式平臺(tái)的振動(dòng)影響很大,如果不加以考慮,則會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差,稱之為附加水效應(yīng).在考慮流體對(duì)浮式平臺(tái)的影響時(shí),通常是將流體當(dāng)做振動(dòng)系統(tǒng)的附加質(zhì)量來(lái)計(jì)算,常采用劉易斯與托德提出的理論.

浮式平臺(tái)在水中振動(dòng)所受到的阻尼力通常有三種形式,即結(jié)構(gòu)阻尼、輻射阻尼以及水動(dòng)力阻尼.本文所分析的浮式施工平臺(tái)為焊接鋼結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)阻尼比為2%.水動(dòng)力阻尼通常采用線性化的近似方法進(jìn)行計(jì)算.在本文中,浮式平臺(tái)浸入水中的單元的動(dòng)平衡方程為

浮式平臺(tái)未浸入水中的單元的動(dòng)平衡方程為

將水動(dòng)力阻尼簡(jiǎn)化為比例阻尼后,根據(jù)工程實(shí)踐,浮式平臺(tái)的總體阻尼比可取為5%,而在不考慮水動(dòng)力阻尼的情況下,浮式平臺(tái)的總體阻尼比按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取為2%.不考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),相應(yīng)地有: α=0.01 ,β=0.04 ; 考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),相應(yīng)地有: α=0.25 ,β=0.01 .

3.3 浮式平臺(tái)邊界水的處理

當(dāng)載荷作用于浮式平臺(tái)時(shí),會(huì)引起浮式平臺(tái)吃水的變化,從而引起浮式平臺(tái)所受浮力的變化.我們把這種由于結(jié)構(gòu)排水體積變化引起的結(jié)構(gòu)回復(fù)力的變化,簡(jiǎn)化為與浮箱面積成比例地均勻分布在浮式平臺(tái)底部表面結(jié)點(diǎn)上的垂向彈簧,這些彈簧的垂向剛度總體上與單位吃水變化引起的浮力變化等效,稱其為水彈簧.浮式平臺(tái)邊界水采用等效水彈簧模擬.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 浮箱底面垂向水彈簧剛度

4　結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

4.1 移動(dòng)荷載作用下浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析

龍門吊進(jìn)行吊裝工作時(shí),如果移動(dòng)速度過(guò)大,則可能導(dǎo)致浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)大,進(jìn)而造成浮式平臺(tái)接頭等的破壞.采用龍門吊的縱向移動(dòng)速度為10m/min及20m/min分別進(jìn)行計(jì)算.浮式平臺(tái)在考慮水動(dòng)力阻尼及7#接頭在承受最大等效應(yīng)力時(shí),浮式平臺(tái)在移動(dòng)荷載作用下,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在接頭及系纜樁處,出現(xiàn)了應(yīng)力集中,經(jīng)過(guò)計(jì)算最大應(yīng)力為153MPa.當(dāng)不考慮系纜樁處應(yīng)力集中時(shí),則接頭處應(yīng)力值較大,且以6#浮箱與7#浮箱之間的6#接頭及7#浮箱與8#浮箱之間的7#接頭處的應(yīng)力最大.取6#、7#接頭的位移和受力情況等進(jìn)行分析,其結(jié)果見(jiàn)表2.

從表2可知,浮式平臺(tái)在龍門吊移動(dòng)時(shí),在不考慮水動(dòng)力阻尼的情況下,7#接頭處的等效應(yīng)力最大達(dá)到了59.80MPa,6#接頭處的為39.34MPa; 而在考慮水動(dòng)力阻尼的情況下,7#接頭處的等效應(yīng)力最大達(dá)到了46.88MPa,6#接頭處的為37.19MPa.比較在考慮水動(dòng)力阻尼和不考慮水動(dòng)力阻尼的情況,在考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),6#、7#接頭處的等效應(yīng)力比不考慮時(shí)的低,這是由于浮式平臺(tái)受到由水所引起的阻尼力.

另外,龍門吊在以10m/min的速度移動(dòng)時(shí),浮式平臺(tái)的位移、速度及加速度響應(yīng)趨勢(shì)與龍門吊以20m/min的速度移動(dòng)的趨勢(shì)基本一致,但響應(yīng)幅值則小得多.浮式平臺(tái)在考慮水動(dòng)力阻尼及考不慮水動(dòng)力阻尼時(shí),在龍門吊移動(dòng)速度較低的情況下,其水動(dòng)力效應(yīng)對(duì)整體浮式平臺(tái)的影響并不明顯.通過(guò)對(duì)比龍門吊以20m/min的速度移動(dòng)和10m/min的速度移動(dòng)可知,隨著浮式平臺(tái)上部的龍門吊的移動(dòng)速度的增大,浮式平臺(tái)的位移響應(yīng)及等效應(yīng)力變化不大,而速度及加速度響應(yīng)則顯著增大.

表2 移動(dòng)荷載分析結(jié)果

綜上所述,系纜樁、接頭連接部位處以及隔艙板的應(yīng)力及振型幅值,都比組成浮式平臺(tái)的浮箱的骨架及其面板等處的要大得多,尤其是系纜樁處.因此,對(duì)于浮式平臺(tái)而言,系纜樁、接頭及隔艙板是薄弱區(qū)域,有必要進(jìn)行加強(qiáng):(1)對(duì)于隔艙板,應(yīng)在隔艙板中部設(shè)置橫向加強(qiáng)筋,而對(duì)于立柱等骨架則可適當(dāng)減小其尺寸;(2)對(duì)于系纜樁,應(yīng)設(shè)置成系纜樁與浮箱的骨架相連;(3)對(duì)于下部丙丁鉤接頭,則應(yīng)設(shè)置局部加強(qiáng),但不宜與浮箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)相連,否則極易造成側(cè)板等的損壞,引起浮箱漏水;(4)在采用浮式平臺(tái)進(jìn)行深水樁基礎(chǔ)的施工時(shí),必須嚴(yán)格控制龍門吊的移動(dòng)速度,以保證浮式平臺(tái)在施工過(guò)程中的安全性.

4.2沖擊荷載作用下浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析

進(jìn)行深水樁基礎(chǔ)施工時(shí),需要在平臺(tái)上設(shè)置防止偏移的定位井字型導(dǎo)向架,將鋼護(hù)筒穿過(guò)導(dǎo)向架分節(jié)焊接下放至湖底,然后吊裝振動(dòng)樁錘,振動(dòng)打入鋼護(hù)筒.打入設(shè)備常采用沖擊鉆鉆機(jī),以D2000型沖擊鉆鉆機(jī)為例,對(duì)鋼護(hù)筒內(nèi)及下部土體進(jìn)行沖擊鉆孔.打入設(shè)備為DZ120KS型振動(dòng)樁錘,自重8000kg,激振力為685kN,頻率18.3Hz,通過(guò)聯(lián)結(jié)器將振動(dòng)樁錘與鋼護(hù)筒頂連接,聯(lián)結(jié)器自重約3100kg.施工時(shí)先讓鋼護(hù)筒在自重作用下下沉,待下沉穩(wěn)定后對(duì)鋼護(hù)筒頂施加沖擊荷載,沖擊作用力為三角形脈沖荷載,頻率為18.3Hz,持續(xù)時(shí)間為40s.振動(dòng)樁錘和聯(lián)結(jié)器自重作為持續(xù)恒載作用于浮式平臺(tái)上,此外,浮式平臺(tái)還受到上部縱橫梁及浮箱自重、靜水壓力等.圖5為浮式平臺(tái)上所受脈沖荷載時(shí)程圖.

浮式平臺(tái)在沖擊荷載作用下,其應(yīng)力分布情況與移動(dòng)荷載作用下的情況類似,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在接頭及系纜樁處.圖6～9分別為浮式平臺(tái)在沖擊荷載作用下的6#接頭、7#接頭處的位移和加速度響應(yīng).

圖5 脈沖荷載時(shí)程圖

圖6 6#接頭的位移響應(yīng) 　

圖7 6#接頭的加速度響應(yīng)

圖8 7#接頭的位移響應(yīng) 　

圖9 7#接頭的加速度響應(yīng)

從圖6～圖9中可以看出,浮式平臺(tái)在沖擊荷載作用下,考慮水動(dòng)力阻尼與不考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),有較大差別.具體表現(xiàn)為:(1)在考慮或者不考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),由于阻尼的存在,浮式平臺(tái)在接頭處的位移及加速度響應(yīng)均隨著體系的振動(dòng)逐漸衰減,但在考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),浮式平臺(tái)的位移及加速度響應(yīng)由于阻尼的原因,其振動(dòng)響應(yīng)較不考慮水動(dòng)力阻尼時(shí)衰減得快;(2)在不考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),浮式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)在每次周期性增強(qiáng)達(dá)到峰值時(shí),其峰值的大小也逐漸衰減,符合動(dòng)態(tài)分析的一般規(guī)律;(3)在考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),浮式平臺(tái)的位移及加速度響應(yīng)也存在周期性增強(qiáng)的現(xiàn)象.但由于在考慮水動(dòng)力阻尼時(shí),浮式平臺(tái)阻尼較大,其增幅現(xiàn)象并不明顯.

通過(guò)上述分析可知,浮式平臺(tái)在進(jìn)行深水樁基礎(chǔ)施工時(shí),其應(yīng)力水平均較低,但在振動(dòng)沖擊鉆工作時(shí),動(dòng)力響應(yīng)較明顯,容易導(dǎo)致施工中定位精度不準(zhǔn),影響浮式平臺(tái)的成孔質(zhì)量,最終影響橋梁施工質(zhì)量.因此在后續(xù)的分析中,應(yīng)加大對(duì)浮式平臺(tái)錨固系統(tǒng)的研究.

5　結(jié)語(yǔ)

本文首先采用子空間迭代法計(jì)算浮式平臺(tái)的自振頻率和振型,引入附加水質(zhì)量及水動(dòng)力阻尼,考慮浮式平臺(tái)上龍門吊移動(dòng)速度的大小以及沖擊荷載作用下,對(duì)浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響.分析結(jié)果表明由于浮式平臺(tái)整體剛度較大,浮式平臺(tái)在移動(dòng)荷載作用下,考慮與不考慮附加水質(zhì)量和水動(dòng)力阻尼時(shí),其動(dòng)力響應(yīng)并不明顯; 但浮式平臺(tái)在沖擊荷載作用下,考慮與不考慮附加水質(zhì)量和水動(dòng)力阻尼差別較大,不考慮時(shí),浮式平臺(tái)在沖擊荷載作用下,其響應(yīng)出現(xiàn)周期性增強(qiáng)的現(xiàn)象,考慮時(shí)則現(xiàn)象不明顯.因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮施工中可能存在的各種危險(xiǎn)情況,并結(jié)合經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則,進(jìn)行合理地設(shè)計(jì).

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Dynamic Response Analysis on Floating Platform Based on Mobile Load and Impact Load

REN Hai-long,CHEN Rui-lin,CHEN huan,DAI Ke-yi
(College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

Abstract:According to the floating platform of Fu jian Nan ping Zhang Lake Reservoir Bridge,the finite element model of floating platform was established by ANSYS and Water spring theory was referenced.The calculated dynamic response was considered by the moving load and impact load.The results show that the dynamic response of floating platform under moving load is not obvious when considering or not considering additional water mass and hydrodynamic damping consideration; the dynamic response of floating platform under impact load is obvious when considering or not considering additional water mass and hydrodynamic damping.The displacement,acceleration response decay quickly when considering the hydrodynamic damping displacement.The natural frequency of floating platform is increased and the cycle peak gradually of floating platform is gradually decay.

Key words:floating platform,mobile load and impact load,finite element,dynamic response

作者簡(jiǎn)介:任海龍(1991?),男,河南信陽(yáng)人,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院碩士研究生.主要研究方向: 道路與橋梁工程

基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20104301120004); 教育部科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(211127); 湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(10B105); 第49批中國(guó)博士后科學(xué)研究基金項(xiàng)目(20110491260); 湖南省優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)勵(lì)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(YB2011B031)

收稿日期:2015-12-03

中圖分類號(hào):U445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-5298(2016)01-0065-05