舶舶撞擊荷載作用下橋梁樁基復(fù)合體系動(dòng)力損傷特性分析

王祥秋，廖鎮(zhèn)源，楊 柱

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000）

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)船橋碰撞動(dòng)力響應(yīng)開展了大量的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［1-5］，但針對(duì)橋墩樁基的動(dòng)力響應(yīng)及其損傷特性的研究相對(duì)較少，目前只有少數(shù)學(xué)者針對(duì)高承臺(tái)樁與樁間土的動(dòng)力響應(yīng)特性開展了若干理論研究［6-7］。因此，基于船橋碰撞理論體系，深入研究樁土復(fù)合體系動(dòng)力損傷特性具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

本文利用ABAQUS 非線性有限元軟件，對(duì)某橋梁樁基復(fù)合承載體系在船舶撞擊荷載作用下的動(dòng)力損傷特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將橋梁底部樁基以及巖土體納入船橋碰撞復(fù)合體系，分析船舶撞擊速度和撞擊角度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)以及樁基動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，研究橋梁結(jié)構(gòu)與樁基復(fù)合體系動(dòng)力損傷特性。

1 工程背景

某橋梁結(jié)構(gòu)總長200 km，為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，單跨長度12 m，橋面寬4 m，為空心混凝土結(jié)構(gòu)，該橋梁結(jié)構(gòu)采用直徑為1 m 的灌注樁，樁長15 m，入巖深度為1 m，河道沖刷面以上的樁長為4 m，工程地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)、截面參數(shù)如圖1 所示，從上至下分別為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化花崗巖，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖1 橋基復(fù)合體系示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 橋梁樁基復(fù)合體系動(dòng)力損傷分析

2.1 動(dòng)力有限元模型建立

2.1.1 混凝土損傷本構(gòu)模型

混凝土損傷塑性本構(gòu)模型（Concrete Damaged Plasticity，CDP）假定混凝土為各向同性材料，可較好地模擬混凝土在動(dòng)靜荷載作用下非彈性與塑性變形行為，適用于隱式和顯示求解分析，可用于分析混凝土在任意荷載作用下的力學(xué)性態(tài)，在后處理階段能較為清楚地展現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的開裂破壞行為［8］，被廣泛應(yīng)用于模擬混凝土結(jié)構(gòu)損傷特性。因此，本文采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型（CDP）模擬橋面板及樁身混凝土開裂與壓縮損傷特性。

如圖2a 所示，在混凝土材料軸向受拉力過程中，當(dāng)σt≤σt0時(shí)，材料處于線彈性階段，彈性模量為E0；當(dāng)軸向拉應(yīng)力超過σt0時(shí)，逐漸出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；而混凝土材料在受壓過程中，如圖2b 所示，當(dāng)σc≤σc0時(shí)，材料處于線彈性階段，當(dāng)軸向壓應(yīng)力超過σc0時(shí)，材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，達(dá)到峰值壓應(yīng)力σcu時(shí)，材料剛度發(fā)生退化，材料進(jìn)入應(yīng)變軟化階段。處于應(yīng)變軟化階段的材料彈性模量可用其卸載時(shí)的退化剛度E 表示

式中，dt、dc分別為無量綱的剛度退化系數(shù)，即受拉時(shí)的損傷因子和受壓時(shí)的損傷因子，且0≤dt≤1，0≤dc≤1。

由此，混凝土材料的損傷本構(gòu)關(guān)系，即損傷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可表示為

混凝土受拉、受壓損傷因子的求解方法很多，本文基于能量等效性方法計(jì)算混凝土的損傷因子［9］，具體的塑性損傷參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。為了考慮鋼筋對(duì)橋面板以及樁身結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷的影響，本文將鋼筋受力狀態(tài)納入到分析結(jié)構(gòu)，并采用理想彈塑性本構(gòu)模型模擬鋼筋的屈服應(yīng)力及塑性應(yīng)變［10］。

圖2 混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

表2 混凝土材料損傷塑性參數(shù)

2.1.2 樁土動(dòng)力相互作用模擬

為了有效模擬橋梁樁基與巖土體之間的動(dòng)力相互作用，巖土體本構(gòu)關(guān)系均采用摩爾庫倫模型，在分析約束土層邊界面上的法向位移時(shí)，當(dāng)樁身側(cè)向位移較少時(shí)，可近似視為線彈性問題，不考慮樁-土界面間的非線性剪切位移作用。樁身與樁間土體法向采用“硬”接觸關(guān)系，而切向接觸采用“罰”函數(shù)法，且切向罰函數(shù)摩擦系數(shù)取為樁側(cè)摩擦系數(shù)，具體取值如表1。

2.2.3 幾何模型與劃分網(wǎng)格

橋梁樁基復(fù)合承載體系動(dòng)力有限元分析建模時(shí)，取兩跨橋梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，即橋面板長28 m，寬4 m；底部樁基長15 m，其中：入巖土長度11 m ；樁周土體幾何尺寸取為長×寬×深=40×15×20 m；橋面板配筋設(shè)計(jì)為箍筋Φ14@250，縱筋Φ25@150，樁基箍筋為Φ14@250，主筋為10Φ20，模型船總重為70 t。橋梁結(jié)構(gòu)及巖土體采用三維8 節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元（C3D8R）進(jìn)行模擬分析，鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)桁架單元（T3D2）、船舶采用四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼單元（S4R）進(jìn)行模擬，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

2.2 分析工況

本文采用顯示積分法對(duì)船橋碰撞動(dòng)力損傷特性進(jìn)行分析模擬。為了對(duì)比分析不同撞擊角度和撞擊速度對(duì)橋梁樁基復(fù)合體系動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，本文假定正面撞擊、偏轉(zhuǎn)15°撞擊和偏轉(zhuǎn)30°撞擊3 種碰撞工況，如圖4 所示，每種碰撞工況下，船舶撞擊速度分別為0.5、1、1.5、2、2.5 和3 m/s。以此分析不同碰撞工況下橋梁樁基復(fù)合體系動(dòng)力損傷特性。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 撞擊角度示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 撞擊力時(shí)程分析

由橋梁樁基復(fù)合承載體系動(dòng)力有限元分析結(jié)果，可得不同撞擊工況下船橋碰撞動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，不同撞擊工況下，船橋之間的撞擊力時(shí)程曲線呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。即在船橋撞擊瞬時(shí)產(chǎn)生的撞擊力水平較低，隨著時(shí)間不斷增長，撞擊力不斷增大，并在撞擊發(fā)生之后0.018～0.02 s 達(dá)到峰值，之后逐步衰減為某一定值。撞擊速度與撞擊角度對(duì)撞擊力峰值均有顯著影響，當(dāng)船舶重量和撞擊角度不變時(shí)，船橋之間的撞擊力隨撞擊速度增大呈線性增長。撞擊角度越大，撞擊力峰值顯著降低。不同撞擊工況下的撞擊力峰值如表3 所示。

表3 撞擊力峰值MN

圖5 不同工況下撞擊力時(shí)程曲線

3.2 樁身位移與彎曲內(nèi)力分析

由計(jì)算結(jié)果可得正面撞擊工況在不同撞擊速度下樁身最大位移變化曲線如圖6 所示，樁身最大彎矩值變化曲線如圖7 所示。由圖6～7 可知，在船舶水平撞擊荷載作用下，樁身最大位移值和最大彎矩值并未發(fā)生在撞擊點(diǎn)，而是在撞擊點(diǎn)以下3.0 m 左右，這可能與樁頂受到橋面約束有關(guān)。樁身位移與彎矩值均隨船舶撞擊速度的增大而增大。

圖6 樁身位移分布曲線

圖7 樁身最大彎矩分布曲線

3.3 橋樁復(fù)合體系損傷特性分析

為了分析研究橋樁復(fù)合承載體系在撞擊荷載作用下的損傷特性，利用動(dòng)力損傷有限元分析結(jié)果，可得船舶撞擊過程中不同時(shí)刻橋面板與樁基的塑性損傷參量變化規(guī)律。為方便分析，以撞擊速度為3 m/s 的正面撞擊為例，不同時(shí)刻橋面板與樁基的塑性損傷云圖如圖8～9 所示。

如圖8 所示，當(dāng)船橋碰撞瞬間（即碰撞發(fā)生之后0.004 s 時(shí)），樁基與橋面板連接區(qū)域發(fā)生拉伸破壞，該區(qū)域內(nèi)單元拉伸損傷參量（DAMAGET）達(dá)到0.996 以上，即樁基與橋面板連接區(qū)域處于拉伸破壞極限狀態(tài)。之后隨著時(shí)間的推移，橋面板以樁身拉伸損傷區(qū)域不斷擴(kuò)展。直至碰撞發(fā)生后0.04 s 時(shí)，拉伸損傷區(qū)域達(dá)到最大值。由此可見，船橋碰撞引發(fā)的拉伸損傷主要集中在碰撞區(qū)域附近樁身及橋面板內(nèi)，樁身內(nèi)的拉伸損傷隨著入土深度的增加，拉伸損傷參量逐步衰減為零。

圖8 棧橋拉伸損傷過程圖

如圖9 所示，船橋碰撞動(dòng)荷載作用下橋梁樁基復(fù)合體系的壓縮損傷與拉伸損傷表現(xiàn)出相似的發(fā)展過程。船舶撞擊瞬時(shí)，首先在撞擊接觸表面出現(xiàn)局部混凝土壓縮損傷，之后隨著時(shí)間的推移，壓縮損傷范圍逐步向橋面板以及樁底方向擴(kuò)展。并在碰撞發(fā)生之后0.04 s，壓縮損傷區(qū)域達(dá)到最大值。由圖8 和9 可知，船舶碰撞荷載作用下，橋梁樁基復(fù)合體系的動(dòng)力損傷以拉伸損傷為主，壓縮損傷區(qū)域面積相對(duì)較少，壓縮損傷程度相對(duì)較輕（即壓縮損傷參量值相對(duì)偏?。?。

圖9 棧橋壓縮損傷過程圖

4 結(jié)論

本文利用ABAQUS 動(dòng)力有限元分析平臺(tái)對(duì)船橋撞擊動(dòng)力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)與樁基復(fù)合承載體系的動(dòng)力損傷特性進(jìn)行分析，獲得如下主要研究結(jié)論。

1）在船舶水平撞擊荷載作用下，船橋撞擊力隨撞擊速度增大呈線性增長。撞擊角度對(duì)撞擊力顯著影響，撞擊角度越大，撞擊力峰值顯著降低。樁身位移與彎矩值均隨船舶撞擊速度的增大而增大，樁身最大位移和最大彎矩值并非發(fā)生在撞擊點(diǎn)處，而是在撞擊點(diǎn)以下某一位置，這與樁頂受到橋面結(jié)構(gòu)約束有關(guān)。2）船橋碰撞荷載作用下橋梁樁基復(fù)合體系的動(dòng)力損傷以拉伸損傷為主，壓縮損傷區(qū)域相對(duì)較少，壓縮損傷程度也相對(duì)較輕。船橋碰撞引發(fā)的拉伸與壓縮損傷主要集中在碰撞區(qū)域附近樁身及橋面板內(nèi)，樁身內(nèi)部損傷隨著入土深度的增加逐步衰減為零。 3）橋梁樁基復(fù)合體系設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)提高橋梁樁基配筋率以及強(qiáng)化樁基與橋梁上部結(jié)構(gòu)過渡段節(jié)點(diǎn)的整體剛度，以提高橋梁樁基復(fù)合體系抗水平撞擊能力。