波浪載荷作用下跨海大橋橋墩防撞結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)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(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核方法的研究越來(lái)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(duì)象，通過(guò)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(jì)算法進(jìn)行彈簧約束方法，在極限波浪作用下對(duì)該浮式防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度分析。針對(duì)原始方案的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行研究，在原方案基礎(chǔ)上提出了三種加強(qiáng)方案;并對(duì)三種加強(qiáng)方案進(jìn)行強(qiáng)度分析。通過(guò)結(jié)果分析，三種加強(qiáng)方案都能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.3? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0108-04

為了跨海大橋橋墩的船舶碰撞安全，設(shè)置了浮式防撞設(shè)施，由于是新型結(jié)構(gòu)物，目前沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行借鑒設(shè)計(jì)。

孫旋[1]在北江航道白土大橋防撞設(shè)計(jì)中針對(duì)北江韶關(guān)至烏石航道整治工程中白土大橋的防撞，通過(guò)從防撞效果、對(duì)航道凈寬的影響、撞擊船舶損傷度、船舶撞擊對(duì)橋梁的損傷、日常維護(hù)費(fèi)用、撞損后修復(fù)難度、消能緩沖效果、對(duì)船舶的保護(hù)能力、水文適應(yīng)性、施工難度和工程造價(jià)等方面對(duì)各防撞方案的比較確定設(shè)計(jì)方案，為類(lèi)似航道整治工程上橋梁防撞設(shè)計(jì)提供參考。許高利[2]在灌河特大橋防撞箱安裝技術(shù)研究中采用的防撞設(shè)施為阻尼消能鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，防撞設(shè)施自身強(qiáng)度高、抗撞能力強(qiáng)，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。李才志[3]針對(duì)內(nèi)河跨航道橋梁水上防撞設(shè)施，對(duì)橋梁防撞體系、船撞力計(jì)算方法進(jìn)行論述，結(jié)合內(nèi)河跨航道橋梁自身特點(diǎn)和最新防撞理念，對(duì)適合內(nèi)河跨航道橋梁的防撞方案和設(shè)施進(jìn)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(shè)施主要有固定或浮式防撞裝置和樁基防撞墩兩種類(lèi)型。孫振宇[4]針對(duì)連鹽鐵路灌河特大橋設(shè)置防撞設(shè)施的必要性和防撞問(wèn)題的特點(diǎn)，提出了兩種防撞方案，通過(guò)非線(xiàn)性有限元碰撞計(jì)算對(duì)防撞設(shè)施進(jìn)行分析。以往研究主要考慮船體與橋墩的碰撞，而防撞設(shè)備的波浪作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)研究，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

本文關(guān)注的跨海大橋橋墩由2個(gè)截面為矩形的立柱構(gòu)成，單個(gè)立柱長(zhǎng)11.5m，寬8.65m;承臺(tái)下設(shè)2m高封底混凝土，樁基礎(chǔ)為36根直徑2.8m的灌注樁，樁頂部加設(shè)30m高的鋼護(hù)筒，樁長(zhǎng)在70m以上。

1橋墩防撞設(shè)施方案

1.1 防撞設(shè)施構(gòu)型

針對(duì)大橋的主墩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖1-圖2所示的防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)。

1.2 有限元建模

浮式防撞設(shè)施采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，采用SESAM軟件的Genie模塊進(jìn)行三維建模，要采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元和2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧＃渲兄饕W(wǎng)格尺寸為0.8m;網(wǎng)格單元數(shù)為43150，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為92022;圖3至圖4為防撞設(shè)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(shè)施的水動(dòng)力分析模型，主要單元位4節(jié)點(diǎn)四邊形單元，其單元個(gè)數(shù)為5683;設(shè)計(jì)吃水2.0m。分析過(guò)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?yàn)閄、Y和Z方向的平動(dòng)，允許其轉(zhuǎn)動(dòng)。

2分析工況及強(qiáng)度校核

2.1 環(huán)境條件設(shè)計(jì)

對(duì)防撞設(shè)施進(jìn)行強(qiáng)度校核，不同工況下，采用直接計(jì)算法進(jìn)行分析，在分析過(guò)程中，工況LC1為靜載荷，包括浮力和重力。每個(gè)工況都對(duì)應(yīng)一個(gè)波浪載荷工況。

針對(duì)波浪載荷，根據(jù)方鐘圣[5]編寫(xiě)《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)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(xiǎn)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(duì)稱(chēng)性取30度，45度，60度和90度。

2.2? 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

如圖6應(yīng)力云圖所示，防撞結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域應(yīng)力達(dá)到400Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)235Mpa的許用應(yīng)力，因此不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了降低高應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上本文提出了兩種局部加強(qiáng)方案。

3? 局部加強(qiáng)方案及強(qiáng)度校核

3.1? 加強(qiáng)方案

針對(duì)高應(yīng)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(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)方案如圖7至圖8所示。

3.2 加強(qiáng)方案強(qiáng)度校核

兩種加強(qiáng)方案典型應(yīng)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(yīng)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(jì)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(shè)施的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并針對(duì)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了兩種加強(qiáng)方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析研究，可以得出如下結(jié)論：

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

（2）針對(duì)極限波浪載荷，僅考慮極限載荷作用時(shí)，材料強(qiáng)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(xiàn)：

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

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

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

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

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