某鋼管防撞墩ANSYS模擬計算

馬志敏，趙金霞，楊應(yīng)松，吳 堅

1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051

由于我國航運量不斷增大，船舶撞擊橋梁的問題也越來越突出［1-3］。船舶撞擊橋梁造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡往往是巨大的［4-5］，因此，交通部要求，所有在用橋梁都必須進行橋梁防撞設(shè)計。設(shè)置防撞樁群是目前較常用的一種防撞方法［6-8］。其主體結(jié)構(gòu)由鋼管樁和系桿焊接組成。發(fā)生船撞時，通過柱系桿網(wǎng)這種過渡性柔性防撞設(shè)施，使船舶與橋墩不直接碰撞，對船舶的損害亦較小，從而達到良好的防撞效果。由于防撞樁群桿結(jié)構(gòu)較多，受力情況復(fù)雜，探索防撞墩受力與結(jié)構(gòu)布置之間的關(guān)系，對交通管理部門指導(dǎo)船舶主動防撞和優(yōu)化防撞墩結(jié)構(gòu)體系，指導(dǎo)工程施工，具有重要的意義。

1 工程概況

某跨越長江的特大橋梁，為保障船舶航行和橋梁本身安全，對橋墩設(shè)置防撞加固等設(shè)施，以保障船舶航行時橋梁本身的安全［9］。根據(jù)近年來主流水位浮動范圍，防撞設(shè)施的防撞高水位取34 m，防撞低水位取28.5 m。防撞墩的設(shè)計目標(biāo)是：1）利用過渡性防撞設(shè)施確保大橋橋墩不受損壞，但允許過渡性防撞設(shè)施在設(shè)計工況下大部分屈服。2）發(fā)生小的船舶碰擦事故時，充分利用橡膠件、系梁周圍鋼結(jié)構(gòu)消能，獨立防撞墩主體結(jié)構(gòu)不損壞［10］。根據(jù)此設(shè)計目標(biāo)結(jié)合橋墩尺寸，防撞墩結(jié)構(gòu)具體尺寸和布置如圖1所示。

圖1 防撞墩布置圖：（a）平面，（b）立面Fig.1 Anti-collision pier layout：（a）plan，（b）elevation

2 ANSYS建模

利用ANSYS軟件，采用beam188空間梁單元，將鋼管樁、系桿離散為空間有限元單元結(jié)構(gòu)［11］，進行空間結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。防撞樁群的邊界條件：按文克勒（Winkler）計算模型［12］，將沖刷線以下樁每1 m劃分一單元，施加彈簧約束，模擬土體對樁基作用。每一個單元上的彈簧剛度按公式k=mhb1取值。其中，樁的計算寬度b1=0.9(1.5+1)=2.25 m，h為各單元中點距地面的距離，地基土的比例系數(shù)［13］m=10 000 kN/m4。防撞樁群的荷載組合按自重+船撞力+水流力考慮。其中，水流力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》［14］取定。對前排樁，水流力取17.33 kN，作用點高程為29.7 m；對后排樁，考慮前后墩之間水流遮擋效應(yīng)，取12.91 kN，作用點高程亦為29.7 m。船舶對鋼管樁群的撞擊力根據(jù)船舶碰撞動力數(shù)值模擬法［15］和船舶撞擊概率風(fēng)險分析取下水方向（1～4號撞擊點處）防撞墩橫橋向設(shè)計撞擊力11.8 MN；順橋向（9～15號撞擊點處）設(shè)計撞擊力5.9 MN，上水方向（5～8號撞擊點處）防撞墩橫橋向設(shè)計撞擊力6.6 MN。撞擊點號位置如圖1（a）所示。

3 防撞墩結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 船撞工況荷載作用下防撞墩受力情況分析

防撞墩結(jié)構(gòu)整體可視為底部埋于河床沖刷線下的懸臂結(jié)構(gòu)，對懸臂結(jié)構(gòu)而言，撞擊力作用在鋼管柱最頂端時是最危險的，故以下數(shù)據(jù)均按撞擊力作用點高程為33.5 m計算。

圖2是3號點［撞擊點編號見圖1（a）中所示］被撞擊后的應(yīng)力分布情況。從圖2中可見，最大應(yīng)力發(fā)生在撞擊點處的系桿上。其它各船撞點的最大應(yīng)力分布與此處類似，亦發(fā)生在系桿撞擊處。防撞墩在最不利船撞工況荷載作用下（船撞力作用在最不利高程33.5 m時），各桿件危險點的應(yīng)力情況如表1所示。

圖2 3號點撞擊后的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution after impact at No.3 point

表1 防撞墩在不同船撞工況下的應(yīng)力Tab.1 Stress of anti-collision pier under different ship collision conditions MPa

由表1中數(shù)據(jù)可知：

1）鋼管樁應(yīng)力值均小于Q345C鋼材強度設(shè)計值295 MPa［16］，滿足規(guī)范要求。系桿上的最大應(yīng)力除4、8、14號撞擊點外都遠遠超過鋼材屈服強度值，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力值。

2）在相同船撞力作用下，同一根系桿中，系桿中部的最大應(yīng)力值均大于系桿端部的最大應(yīng)力值。說明防撞墩結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點處受到船撞力時，撞擊力可通過節(jié)點有效地傳到其它系桿和鋼管樁上，故節(jié)點處的承載能力比系桿中部的要好。

3）跨度相同、同一方位系桿上的最大應(yīng)力值比較。以1號撞擊點與5號撞擊點處系桿為例：雖然1號撞擊點撞擊力是5號撞擊點力的1.8倍，但系桿上最大應(yīng)力值只是5號撞擊點處的1.26倍。說明系桿兩端節(jié)點的剛性對跨中應(yīng)力最大值也有影響。節(jié)點處系桿越多，節(jié)點處的剛性越好，對系桿的約束越強，系桿中最大應(yīng)力值越小。

4）系桿兩端節(jié)點情況相同，跨度不同時系桿上最大應(yīng)力值比較。以1號撞擊點與3號撞擊點處系桿為例：這兩個撞擊點對應(yīng)的系桿兩端約束條件類似，但3號撞擊點系桿跨度大，撞擊處最大應(yīng)力值大于1號撞擊點處的。說明在系桿兩端約束情況相似情況下，跨度越大，受撞擊時應(yīng)力越大。

3.2 減小防撞樁群結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力的方案研究

根據(jù)上述防撞墩結(jié)構(gòu)體系在各船撞工況下的應(yīng)力情況以及應(yīng)力與結(jié)構(gòu)構(gòu)造關(guān)系的分析結(jié)果，減小防撞樁群系桿上的應(yīng)力可從以下幾方面考慮：

1）盡可能減小系桿的連接跨度。

2）增加連接節(jié)點的剛性。

3）船撞力作用處的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于船撞力的分散。

為達成這些目的，可采取增加系桿的方式來實現(xiàn)。考慮施工和結(jié)構(gòu)布置可行性后的系桿布置如圖3所示。這種新結(jié)構(gòu)體系在原結(jié)構(gòu)系桿中部和節(jié)點處添加了鋼管，增加了連接節(jié)點的剛性，減小了系桿的跨度，有利于撞擊力的分散，能夠更好地承載。同時，有利于根據(jù)系桿上的應(yīng)力情況，靈活調(diào)整系桿截面尺寸，實現(xiàn)等強度設(shè)計，比單純增加系桿截面尺寸的方法，經(jīng)濟可行。按新防撞墩結(jié)構(gòu)布置后（船撞力作用點高程為33.5 m時），應(yīng)力計算情況如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可知，防撞墩結(jié)構(gòu)體系調(diào)整后，鋼管樁和系桿上應(yīng)力均減小了。尤其是系桿上，應(yīng)力減小效果明顯。除1號，10號，12號船撞處，系桿應(yīng)力值略超屈服強度值外，其它均在屈服強度值以下，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，說明結(jié)構(gòu)調(diào)整方案是有效的。

圖3 新防撞墩俯視圖Fig.3 Top view of new anti-collision pier

表2 新防撞墩在不同船撞工況下的應(yīng)力Tab.2 Stress of new anti-collision pier under different ship collision conditions MPa

3.3 底層系桿高度改變對結(jié)構(gòu)受力的影響

防撞墩結(jié)構(gòu)施工過程中經(jīng)常會遇到這樣的難題：底層（最靠近水面）系桿的設(shè)計焊接位置為歷史最低水位位置，但實際施工周期內(nèi)的最低水位往往高于這一水位值，不便于系桿和鋼管樁之間的焊接施工。為方便施焊，應(yīng)考慮將底層系桿適當(dāng)提高。表3為當(dāng)?shù)讓酉禇U提升50 cm時防撞墩結(jié)構(gòu)體系的受力情況。通過與表2中對應(yīng)結(jié)果比較，可知：1）當(dāng)撞擊力仍作用在系桿上時（撞擊力作用點高程33.5 m），由于系桿整體約束條件變化不大，系桿上受力變化不大，鋼管柱上的應(yīng)力略有增加，但仍在安全范圍內(nèi)。2）系桿提高后，還需考慮使用過程中，可能遇到歷史最低水位。由于系桿已向上提升，船撞力有可能直接作用在系桿下方柱子上（撞擊力作用點高程29 m）。表3中數(shù)據(jù)表明，系桿由于不再直接受力，應(yīng)力均有所減小，但柱子上的應(yīng)力將顯著增大，尤其是4號點撞擊時，樁上最大mises應(yīng)力達極限值（310.65 MPa），說明系桿不能再向上提升。因此，防撞墩施工時，如需提高底層系桿，需根據(jù)船撞力作用于設(shè)計最高水位和最低水位兩種情況，鋼管樁的應(yīng)力情況來確定系桿能提升的高度，以確保防撞墩能滿足設(shè)計要求。

表3 底層系桿提升50 cm時各船撞工況下的應(yīng)力Tab.3 Stress of each ship collision condition at lifting height of 50 cm of the bottom tie rods MPa

4 結(jié) 語

通過對某防撞樁群的模擬仿真力學(xué)計算分析，提出了一種新的防撞墩結(jié)構(gòu)體系，計算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能更好地滿足防撞樁群受力與結(jié)構(gòu)之間的需要，有利于根據(jù)實際受力和施工條件，靈活調(diào)整鋼管布置和尺寸，能更有效地發(fā)揮結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載能力，確保結(jié)構(gòu)安全，可在同類工程中借鑒和參考。