橋梁船撞動力響應(yīng)數(shù)值模擬研究

李秋陽

（北京中咨華安交通科技發(fā)展有限公司，北京 100080）

1 引言

中國對于船橋相撞問題的研究起步較晚。研究初期，我國主要針對船橋相撞的概念、撞擊存在的風(fēng)險、撞擊時的性能變化進行分析。隨著我國計算機水平的不斷提高，大數(shù)據(jù)在各個行業(yè)的滲透，我國開始利用有限元技術(shù)對船橋相撞問題進行分析[1]。由于初期的理論分析較為淺薄，對船橋相撞的模型建立過于簡單，對橋墩的受力情況、變形以及船舶的能量變化分析較少?；诖?，技術(shù)人員對橋船相撞的不同工況進行模擬，通過有限元軟件對撞擊過程中能量變化進行分析。但是該課題的發(fā)展與研究還有一定的空間，因此，本文的研究具有一定的理論意義和參考價值。

2 有限元分析

2.1 模型建立

2.1.1 橋墩模型

通過對實際工程了解可知，橋墩、承臺以及樁基可通過現(xiàn)澆混凝土進行施工，因此，本文在模型建立過程中采用的建模方式為墩臺一體化建模。其中，橋墩的高度為25.5 m，承臺的高度為2 m，樁基長度為30 m，直徑取值為1.5 m。使用實體單元進行模型的建立，利用ABAQUS 對網(wǎng)格進行劃分。

2.1.2 鋼筋模型

鋼筋的模型建立過程中只對橋墩、承臺、樁的主筋進行了模型建立，結(jié)構(gòu)中未設(shè)置箍筋。承臺主筋為HRB400 鋼筋，直徑為22 mm；橋墩主筋為HRB400，直徑為28 mm，長為26.95 m，間距130 mm；承臺下部橫向鋼筋長為7.9 m，縱向鋼筋為9.9 m，均采用直徑為28 mm 的HRB400 鋼筋。樁基鋼筋采用直徑為22 mm 的HRB400 鋼筋，共布置12 根。鋼筋的模型采用桁架單元，并進行網(wǎng)格劃分。

2.1.3 船舶有限元模型

本文的船舶模型主要依據(jù)2 000 t 平頭船進行建立，模型的主要尺寸參數(shù)有：船長為67.5 m，船寬為10.8 m，吃水深度為2.4 m，總排水量為2 150 t，肋距為0.5 m，站距為2.5 m。為了使模擬計算簡單化，本文將船舶模型建成幾何模型，對存在的曲面結(jié)構(gòu)進行斜面處理。當橋船發(fā)生碰撞時，船的主要變形為船艏，因此，模型建立時對40 m 的船身進行了簡化處理。同時，依據(jù)船舶部位對材料的密度進行設(shè)定，船的外板厚度為0.02 m，肋板的厚度為0.01 m。

2.1.4 地基模型

在進行地基模型建立時，采用的尺寸為30 m×30 m×35 m的長方體，平面內(nèi)與橋墩混凝土樁對應(yīng)布置4 個樁孔，相對平面中心對稱布置，前后樁孔相距6 m，左右樁孔相距4 m，孔深25 m，使用實體單元建模。同橋墩模型類似，地基模型同樣采用ABAQUS 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)生成單元，單元類型采用8 節(jié)點實體減縮積分單元。

2.2 參數(shù)選取

通過分析可知，該模型適用于脆性材料，可應(yīng)用于混凝土的結(jié)構(gòu)分析，在進行模型建立前應(yīng)對所需材料的參數(shù)進行定義。本文采用C30 混凝土，該類混凝土的彈性模量為3×104MPa，線膨脹系數(shù)1.0×10-5，重度為25 kN/m3，泊松比為0.2，標準強度為30 MPa/3 MPa（抗壓/ 抗拉），設(shè)計強度為14.5 MPa/1.45 MPa 抗壓/ 抗拉）；鋼筋采用HRB400，彈性模量為2.1×105MPa，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3，屈服強度≥335 MPa，抗拉強度為55 MPa；地基巖土的彈性模量為3 000 MPa，內(nèi)摩擦角為30°，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.3，膨脹角12°，內(nèi)聚力為400 kPa。

2.3 邊界條件

船橋相碰是較為復(fù)雜的接觸問題，也是能量轉(zhuǎn)變問題，撞擊開始到結(jié)束，接觸面積與接觸力一直發(fā)生變化。因此，在對接觸面進行定義時，應(yīng)對所有接觸面進行考慮。隨著接觸條件不斷發(fā)生變化，計算時的計算量也會發(fā)生變化，因此，對接觸面進行定義時，應(yīng)該預(yù)先對可能接觸的面積進行試算，并保證計算結(jié)果的精確性。

樁底與巖土體之間的接觸采用固結(jié)約束，樁側(cè)與土層間的接觸為硬接觸（樁土間緊密接觸時會傳遞法向壓力，二者有縫隙時，不傳遞法向壓力）。樁側(cè)與土層間的切向接觸為摩擦接觸，摩擦系數(shù)的值為0.3。

橋梁在進行模型建立時，主要約束有：橋墩混凝土與鋼筋材料間的約束、巖土體自由度的約束、上部結(jié)構(gòu)對橋墩的作用。上部結(jié)構(gòu)的約束為線彈性模型，橫橋向的剛度系數(shù)為1×109N/m，順橋向的剛度系數(shù)為2.5×108N/m。

3 船舶撞擊工況設(shè)計

為分析橋梁在不同情況下被船舶撞擊產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)，分別以撞擊速度、船舶質(zhì)量為變量，設(shè)計5 種不同工況進行了研究。

工況1：撞擊部位為橋墩中部，撞擊速度為3 m/s，撞擊的船舶噸位為2 000 t。

工況2：撞擊部位為橋墩中部，撞擊速度為4 m/s，撞擊的船舶噸位為2 000 t。

工況3：撞擊部位為橋墩中部，撞擊速度為5 m/s，撞擊的船舶噸位為2 000 t。

工況4：撞擊部位為橋墩中部，撞擊速度為5 m/s，撞擊的船舶噸位為1 200 t。

工況5：撞擊部位為橋墩中部，撞擊速度為5 m/s，撞擊的船舶噸位為500 t。

4 撞擊速度對橋梁的影響

4.1 能量損耗影響

船舶撞擊橋梁時會產(chǎn)生一定的能量，撞擊的瞬間會使船舶的動能轉(zhuǎn)化為變形能以及內(nèi)能[2]。船舶產(chǎn)生的變形通過撞深進行衡量。當撞擊速度越大時，船舶的撞深也會越大，當撞深達到最大程度時，撞擊力開始下降。該現(xiàn)象說明，此時船舶被橋墩反彈。不同速度下，撞擊發(fā)生的能量變化如表1 所示。

表1 不同速度撞擊能量變化表

通過表1 的分析可知：發(fā)生橋船相撞時的能量是守恒的，在發(fā)生撞擊的瞬間，船舶的內(nèi)能會突然增長，船舶發(fā)生破壞產(chǎn)生的內(nèi)能也會增長。通過數(shù)值變化可以看出：隨著船舶的撞擊速度增長，內(nèi)能占總能量的比重越來越低，說明此時的內(nèi)能已經(jīng)轉(zhuǎn)化為變形能，同時也說明橋墩變形吸收的能量較少。通過分析得出：發(fā)生船橋相撞時，橋梁的破壞較小，船舶的破壞較大，且速度越快，船舶變形越嚴重。

4.2 橋梁響應(yīng)

當發(fā)生船橋相撞時，橋梁的響應(yīng)程度較小，但對墩頂位移的影響較大。當墩頂位移超過一定程度會發(fā)生落梁的現(xiàn)象[3]。橋墩部位也會產(chǎn)生較大的彎矩，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，影響承載能力。隨著撞擊速度的增大，墩頂橫、縱向位移都會增大。橋墩的拉、壓應(yīng)力分布情況如圖1 所示。

圖1 橋墩的拉、壓應(yīng)力變化圖

通過對表1 及圖1 進行分析可知：橋梁的撞擊部位混凝土的壓應(yīng)力最大，當撞擊速度為5 m/s 時，橋墩混凝土拉應(yīng)力為1.79 MPa；速度為4 m/s 時，橋墩混凝土的最大拉應(yīng)力為2.31 MPa；速度為3 m/s 時，橋墩混凝土最大拉應(yīng)力為1.78 MPa，無論哪種速度撞擊時，都小于規(guī)范規(guī)定值，橋墩混凝土仍能繼續(xù)工作，橋墩結(jié)構(gòu)存在較大的承載力。

5 船舶質(zhì)量對橋梁的影響

5.1 能量損耗影響

船舶質(zhì)量對船橋撞擊的影響程度很大，質(zhì)量越大，撞擊的深度越大，同時船舶的損傷程度也會越大，當撞深達到最大程度時，撞擊力開始下降。該現(xiàn)象說明此時船舶被橋墩反彈。不同噸位下，撞擊發(fā)生的能量變化如表2 所示。

表2 不同噸位撞擊能量變化表

通過對表2 進行分析可知，船舶的質(zhì)量越大，撞擊時產(chǎn)生的變形能占比也越大。

5.2 橋梁響應(yīng)

船舶的質(zhì)量不同，發(fā)生撞擊時的橋梁響應(yīng)也不相同。通過對有限元數(shù)據(jù)進行分析可以得出：混凝土的拉應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在橋墩下部位置；混凝土壓應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在船舶撞擊位置。當船舶噸位為1 200 t 時，橋墩的最大拉應(yīng)力為1.8 MPa；船舶噸位為500 t 時，橋墩的最大拉應(yīng)力為1.77 MPa。通過與規(guī)范值規(guī)定的3 MPa 相比，均未超出規(guī)定范圍。不同噸位船和撞擊下橋墩混凝土仍能繼續(xù)工作，橋墩結(jié)構(gòu)存在較大的承載力富余。

6 結(jié)語

本文通過對橋梁船撞動力響應(yīng)進行分析研究，結(jié)果表明：

1）對現(xiàn)場施工進行調(diào)查后，通過對橋墩、鋼筋、船舶進行有限元模型建立，然后對其設(shè)定5 種不同的工況進行相關(guān)性能分析。

2）通過對不同撞擊速度下的能量變化進行分析可知，當發(fā)生橋船相撞時，船舶內(nèi)能轉(zhuǎn)化率較高，橋墩破壞程度主要受船舶質(zhì)量的影響。