波浪載荷作用下跨海大橋橋墩防撞結(jié)構(gòu)極限強度分析

沈洋

摘 要：隨著跨海大橋的不斷發(fā)展，主橋墩防撞裝置的設計和強度校核方法的研究越來越重要。本文以某跨海大橋的主橋墩防撞結(jié)構(gòu)為研究對象，通過SESAM軟件建立大橋防撞裝置結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)大橋海域海浪情況，采用直接計算法進行彈簧約束方法，在極限波浪作用下對該浮式防撞設施結(jié)構(gòu)強度進行強度分析。針對原始方案的總體結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果進行研究，在原方案基礎上提出了三種加強方案;并對三種加強方案進行強度分析。通過結(jié)果分析，三種加強方案都能滿足結(jié)構(gòu)屈服強度設計要求。

關鍵詞：橋梁防撞裝置;有限元分析;彈簧約束方法; 結(jié)構(gòu)強度分析

中圖分類號：U445.3? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0108-04

為了跨海大橋橋墩的船舶碰撞安全，設置了浮式防撞設施，由于是新型結(jié)構(gòu)物，目前沒有相應的規(guī)范和標準進行借鑒設計。

孫旋[1]在北江航道白土大橋防撞設計中針對北江韶關至烏石航道整治工程中白土大橋的防撞，通過從防撞效果、對航道凈寬的影響、撞擊船舶損傷度、船舶撞擊對橋梁的損傷、日常維護費用、撞損后修復難度、消能緩沖效果、對船舶的保護能力、水文適應性、施工難度和工程造價等方面對各防撞方案的比較確定設計方案，為類似航道整治工程上橋梁防撞設計提供參考。許高利[2]在灌河特大橋防撞箱安裝技術研究中采用的防撞設施為阻尼消能鋼結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)，防撞設施自身強度高、抗撞能力強，具有良好的社會經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。李才志[3]針對內(nèi)河跨航道橋梁水上防撞設施，對橋梁防撞體系、船撞力計算方法進行論述，結(jié)合內(nèi)河跨航道橋梁自身特點和最新防撞理念，對適合內(nèi)河跨航道橋梁的防撞方案和設施進行分析。結(jié)果表明： 適合內(nèi)河跨航道橋梁水上防撞的防撞設施主要有固定或浮式防撞裝置和樁基防撞墩兩種類型。孫振宇[4]針對連鹽鐵路灌河特大橋設置防撞設施的必要性和防撞問題的特點，提出了兩種防撞方案，通過非線性有限元碰撞計算對防撞設施進行分析。以往研究主要考慮船體與橋墩的碰撞，而防撞設備的波浪作用下的結(jié)構(gòu)強度研究較少;本文基于跨海大橋的防撞裝置在波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度分析和設計研究，為橋梁設計提供參考。

本文關注的跨海大橋橋墩由2個截面為矩形的立柱構(gòu)成，單個立柱長11.5m，寬8.65m;承臺下設2m高封底混凝土，樁基礎為36根直徑2.8m的灌注樁，樁頂部加設30m高的鋼護筒，樁長在70m以上。

1橋墩防撞設施方案

1.1 防撞設施構(gòu)型

針對大橋的主墩結(jié)構(gòu)，設計如圖1-圖2所示的防撞設施結(jié)構(gòu)。

1.2 有限元建模

浮式防撞設施采用有限元法進行結(jié)構(gòu)強度校核，采用SESAM軟件的Genie模塊進行三維建模，要采用4節(jié)點四邊形單元和2節(jié)點梁單元建模，其中主要網(wǎng)格尺寸為0.8m;網(wǎng)格單元數(shù)為43150，節(jié)點個數(shù)為92022;圖3至圖4為防撞設施單模塊中各部分的結(jié)構(gòu)與單元網(wǎng)格示意圖。

圖5為防撞設施的水動力分析模型，主要單元位4節(jié)點四邊形單元，其單元個數(shù)為5683;設計吃水2.0m。分析過程中，考慮防撞墊的作用，防撞墊位置處采用彈簧約束，約束方向為X、Y和Z方向的平動，允許其轉(zhuǎn)動。

2分析工況及強度校核

2.1 環(huán)境條件設計

對防撞設施進行強度校核，不同工況下，采用直接計算法進行分析，在分析過程中，工況LC1為靜載荷，包括浮力和重力。每個工況都對應一個波浪載荷工況。

針對波浪載荷，根據(jù)方鐘圣[5]編寫《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》，根據(jù)防撞結(jié)構(gòu)布置區(qū)域，選擇S1區(qū)域的環(huán)境條件。根據(jù)該區(qū)域內(nèi)發(fā)生概率最大的波浪取有義波高1.5m，最大波高3m;危險工況下有義波高取3.0m，最大波高6.0m。周期分析包括7.0s，7.5s，8.0s，8.5s，9.0s，9.5s;根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性取30度，45度，60度和90度。

2.2? 結(jié)構(gòu)強度分析

如圖6應力云圖所示，防撞結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域應力達到400Mpa，遠遠超過235Mpa的許用應力，因此不滿足設計要求。為了降低高應力，在此基礎上本文提出了兩種局部加強方案。

3? 局部加強方案及強度校核

3.1? 加強方案

針對高應力區(qū)域，采用內(nèi)部增加弧形肘板和端部圓弧結(jié)構(gòu)連接兩種方案進行加強，加強方案如圖7至圖8所示。

3.2 加強方案強度校核

兩種加強方案典型應力云圖如圖9圖10所示。從表2中可以看出，在波高3米的三種周期條件下，在30度及60度浪向下最大Vonmises應力均較原方案有顯著減小，其中外部圓弧方案為最優(yōu)。

4結(jié)論

本文依據(jù)某海域的波浪統(tǒng)計結(jié)果，選擇該區(qū)域內(nèi)發(fā)生概率最大的波浪條件，分析了浮式防撞設施的總體結(jié)構(gòu)強度，并針對高應力區(qū)域進行了兩種加強方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。通過結(jié)構(gòu)強度的分析研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）兩種加強方案中，90度浪向時的三種周期條件下，最大屈服應力較為接近。而外部圓弧加強方案相較于其他方案在30度及60度浪向下Vonmise應力顯著降低。

（2）針對極限波浪載荷，僅考慮極限載荷作用時，材料強度利用率外板中間部分為60%，端部為30%，而未考慮結(jié)構(gòu)疲勞和船舶碰撞等影響因素。

參考文獻：

[1]孫旋，饒西平.北江航道白土大橋防撞設計[J].公路與汽運，2016（02）：168-171.

[2]許高利.灌河特大橋防撞套箱安裝技術研究[J].鐵道建筑技術，2018（12）：64-68.

[3]李才志，付歐陽.上海內(nèi)河跨航道橋梁防撞設施分析[J].水運工程，2017（11）：141-145.

[4]孫振宇.新建連鹽鐵路灌河特大橋防撞設施設計與分析[J].鐵道建筑技術，2018（01）：40-42+53.

[5]方鐘圣.《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》與其他圖冊資料的比較[J].中國海洋平臺，1997（01）：31-34+4-5.