碰撞角對(duì)船舶碰撞下橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響分析

劉靜文

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)斜拉橋等大型橋梁的跨度要求越來(lái)越高，船舶的噸位和數(shù)量也是與日俱增，船橋碰撞事故也時(shí)有發(fā)生。船橋碰撞事故的發(fā)生，輕則導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞，影響橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命、降低橋梁安全性；重則導(dǎo)致橋毀人亡，造成重大安全事故。因此，對(duì)船舶撞擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況及動(dòng)力響應(yīng)的研究有著重要意義[1-3]。

本文以武漢天興洲長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃肁NSYS建立詳細(xì)的全橋整體三維有限元模型。將船撞荷載施加到橋梁指定關(guān)鍵點(diǎn)。分析8 000t船舶在不同角度撞擊作用下橋梁各關(guān)鍵部位的動(dòng)力響應(yīng)，為大跨度公鐵兩用斜拉橋的防撞設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供參考。

1 工程概況

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋是一座雙塔三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋，正橋全長(zhǎng)4 657m，橋梁跨徑(98+196+504+196+98)m。大橋上層公路為六車道，寬27m。下層鐵路為四線，其中兩線一級(jí)干線、兩線客運(yùn)專線。

主梁為板桁結(jié)合鋼桁架，“N”形桁架，三片主桁，分別錨固于三個(gè)索面，三片主桁間距15m，寬30m，高15.2m，節(jié)間長(zhǎng)度14m。主主桁部分斜桿采用箱型截面，其余斜桿、豎桿采用H形截面。斜拉索錨固于主桁上弦節(jié)點(diǎn)，材料為Φ7鍍鋅鋼絲，Ry1=1670MPa。鋼梁采用Q370q-E鋼。主塔為倒Y形，兩側(cè)各有3×16根斜拉索，主塔材料為C50級(jí)混凝土。總體布置圖如圖1所示。

圖1 武漢天興洲長(zhǎng)江大橋總體布置(單位：m)

2 有限元模型的建立

2.1 斜拉橋模型

主梁上弦中部756m范圍是鋼正交異性板橋面，兩端各168m范圍是混凝土結(jié)合板橋面。鐵路橋面系采用縱橫梁體系，道砟橋面。縱梁與橫梁均為“工”字形截面，端橫梁采用箱形截面，間隔6個(gè)節(jié)間設(shè)置有制動(dòng)撐架。公路橋面中部756m范圍內(nèi)，橋面板厚14mm，每半幅橋(15m寬)設(shè)四道縱梁，沿縱橋向每14m長(zhǎng)節(jié)間內(nèi)設(shè)5道橫肋。主梁兩端各168m范圍內(nèi)，每半幅橋設(shè)四道縱梁與正交異性板的縱梁對(duì)齊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置公路橫梁。

在建模過(guò)程中，考慮到運(yùn)算量，對(duì)公路主梁采用了等效格子梁法來(lái)模擬正交異性板。將縱肋與橫肋用與其中心線重合的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，每節(jié)間(14m)視作一個(gè)梁格。這樣，公路橋面即簡(jiǎn)化為由上弦桿、公路縱梁、公路橫梁和橫隔板組成的梁格體系[2]。公路縱肋與鐵路縱肋的質(zhì)量與剛度均等效分配到相應(yīng)縱梁上。然后，采用空間有限元法進(jìn)行離散。鐵路橋面按照實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行建模。主塔主桁、公路橫梁縱梁、鐵路橫梁縱梁鐵路橋面板均采用BEAM4單元進(jìn)行模擬，公路混凝土橋面梁格與鋼正交異性板梁格采用SHEEL63單元進(jìn)行模擬。集中質(zhì)量運(yùn)用MASS21單元進(jìn)行模擬。斜拉索離散成空間桿單元，運(yùn)用LINK10單元進(jìn)行模擬。由垂度效應(yīng)引起的斜拉索幾何非線性問(wèn)題，采用Ernst公式進(jìn)行彈性模量修正。主梁與拉索之間通過(guò)剛度極大的剛臂進(jìn)行連接，并用實(shí)常數(shù)定義來(lái)實(shí)現(xiàn)斜拉索的截面特性。全橋節(jié)點(diǎn)共計(jì)15 208個(gè)，單元共有24 122個(gè)。其中橋塔單元776個(gè)，主塔剛臂單元434個(gè)，斜拉索236個(gè)，主梁22 646個(gè)，全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 武漢天興洲長(zhǎng)江大橋有限元模型

2.2 橋梁模型驗(yàn)證

通過(guò)靜力分析和模態(tài)分析對(duì)橋梁模型進(jìn)行了驗(yàn)證[4-5]。靜力分析法通過(guò)對(duì)模型施加自重荷載，提取了主梁邊跨跨中1 139號(hào)節(jié)點(diǎn)、跨中1 040號(hào)節(jié)點(diǎn)、主跨3/4跨116號(hào)節(jié)點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行定性分析。三個(gè)節(jié)點(diǎn)位移分別為-0.220m、-0.258m和-0.013m，符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)行橋梁自振特性分析，設(shè)置了前20階模態(tài)分析，得到前20階自振頻率及相應(yīng)振型。前10階自振頻率及振型見(jiàn)表1，部分振型圖見(jiàn)圖3。

(b)2階(主梁對(duì)稱豎彎)

(a)1階(主梁縱振)

(c)3階(主梁對(duì)稱側(cè)彎)圖3 主梁自振振型

2.3 船舶撞擊力時(shí)程荷載

根據(jù)船舶在航道內(nèi)(在航道中心線上)的正常行駛速度、航道中心線至橋墩的距離以及船舶長(zhǎng)度等因素綜合確定船舶撞擊橋梁速度[6]，結(jié)合武漢天興洲長(zhǎng)江大橋通常航速調(diào)查結(jié)果及航道水文條件，推算出船舶撞擊速度為4.5m/s。根據(jù)武漢天興洲長(zhǎng)江大橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，本文模擬8 000t船舶撞擊1號(hào)橋塔的第290號(hào)節(jié)點(diǎn)，撞擊角度選取橋軸線法線與撞擊速度方向的夾角0 °、10 °、15 °和20 °。針對(duì)8 000t船舶，當(dāng)以4.5m/s速度撞擊橋墩時(shí)，本文模擬的正撞力時(shí)程曲線圖如圖4所示。

3 橋梁動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

在ANSYS中模擬活載加載有機(jī)動(dòng)法、靜力分析和瞬態(tài)分析法三種分析方法。在本文中采用瞬態(tài)分析法，荷載分140次施加到1號(hào)橋塔的290號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)上，每次施加后進(jìn)行一次瞬態(tài)分析，分析橋梁在規(guī)定的時(shí)程碰撞荷載下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。在ANSYS完成模型瞬態(tài)分析計(jì)算后，通過(guò)*GET命令提取了1號(hào)橋塔塔頂1號(hào)節(jié)點(diǎn)、主跨跨中1 040號(hào)節(jié)點(diǎn)橫橋向位移。

表1 武漢天興洲長(zhǎng)江大橋自振特性

圖4 正撞力時(shí)程曲線

3.1 橫橋向位移結(jié)果提取

提取塔頂1號(hào)節(jié)點(diǎn)、跨中1 040號(hào)節(jié)點(diǎn)分別在0°、10°、15°和20°船舶撞擊作用下的橫橋向位移(圖5、圖6)。

圖5 塔頂1號(hào)節(jié)點(diǎn)橫橋向位移

圖6 跨中1040號(hào)節(jié)點(diǎn)橫橋向位移

3.2 結(jié)果分析

從圖5、圖6可以看出，在相同碰撞力作用下，塔頂和跨中的橫向位移并非一直單調(diào)增大，存在振蕩現(xiàn)象，且振蕩頻率較大。塔頂?shù)臋M橋向位移隨著碰撞角度的改變，其位移曲線變化基本一致。在碰撞歷程內(nèi)，任意相同時(shí)刻，橫橋向位移幾乎相同，即碰撞角度的改變對(duì)塔頂?shù)膭?dòng)力響應(yīng)影響不大。從圖7(a)也可以看出，隨著碰撞角度的增大，塔頂位移峰值逐漸減小，但減小數(shù)值不大，從0～20 °，位移減小約7 %。而在碰撞歷程內(nèi)，隨著碰撞角度的變化，橋梁跨中的位移曲線存在較大差別。在相同時(shí)刻，不同碰撞角下，位移值存在差值。通過(guò)圖7(b)也可以看出，隨著碰撞角從0 °上升至20 °，位移峰值減小52 %。說(shuō)明碰撞角的改變對(duì)橋梁跨中的動(dòng)力響應(yīng)存在較大影響。在橋梁防撞設(shè)計(jì)中可考慮通過(guò)設(shè)置增大碰撞角度的防撞裝置來(lái)減小船舶撞擊對(duì)橋梁帶來(lái)的影響。通過(guò)橫向?qū)Ρ瓤芍谙嗤鲎擦ψ饔孟拢斘灰品逯稻笥跇蛄嚎缰?，說(shuō)明塔頂響應(yīng)對(duì)于船舶撞擊力較為敏感，在實(shí)際橋梁防護(hù)中應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

本文以武漢天興洲長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用ANSYS建立全橋有限元模型。分析橋梁各關(guān)鍵部位在8 000t船舶不同角度撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在碰撞過(guò)程中，塔頂和跨中的橫向位移并非一直單調(diào)增大，存在振蕩現(xiàn)象，且振蕩頻率較大。塔頂?shù)臋M橋向位移在不同撞擊角度下變化規(guī)律基本一致，碰撞角度的增加對(duì)位移峰值影響不大。

(2)在碰撞過(guò)程中，碰撞角度的改變對(duì)橋梁跨中位移影響較大，碰撞角度從0°上升至20°，位移峰值減小達(dá)52 %。

(3)在相同船舶撞擊作用下，塔頂位移峰值遠(yuǎn)大于跨中，說(shuō)明塔頂位移響應(yīng)對(duì)于船舶撞擊力較為敏感，在實(shí)際橋梁防護(hù)中應(yīng)引起重視。

(4)在相同碰撞力作用下，碰撞角度的增大能有效地降低碰撞對(duì)橋梁造成的影響。在橋梁防撞設(shè)計(jì)中，可考慮通過(guò)增大碰撞角來(lái)降低橋梁結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 1號(hào)節(jié)點(diǎn)

(b)1040號(hào)節(jié)點(diǎn)圖7 橫橋向最大位移