基于LS-DYNA的船舶-橋墩碰撞研究

陳忠宇, 黎恩華, 張林凱

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著科技水平及社會經濟的飛速發展,我國交通運輸行業在近幾年取得蓬勃發展。隨之而來的是,各地的各式橋梁越來越多,各處航道的通航環境日益復雜,各式各樣的船-橋碰撞事故日益增多。另一方面,船橋碰撞問題所涉及的影響因素十分復雜,包括橋梁類型、撞擊部位、撞擊角度、船型、航道水位等,且分析過程中也需要考慮到大量的非線性問題,如材料非線性、接觸非線性等,這些問題都使得船橋問題的研究分析有一定的復雜度。

本文將以DWT 500型船舶與引江繼漢渠上某大跨度PC連續梁橋間的碰撞為工程背景,使用ANSYS軟件進行建模分析,研究在撞擊作用下橋梁墩部各關鍵部位的動力響應及最易破壞形式,為大跨度PC連續梁橋的安全評估及防撞設計提供參考。

1 有限元模型概況

1.1 船舶部分

駁船有限元模型主要由船艏、船身、質量塊等部位構成,鑒于本文的主要研究對象為橋墩部分,故對船舶模型部分進行一定簡化。其基本建模原則是:所呈現的船舶模型能夠體現出實際船舶的碰撞剛度、動量、材料特征即可。另一方面,考慮到在碰撞過程中船艏部分產生的形變較大,必須要考慮該處材料的應變率和失效,因此船艏處的材料模型采用塑性隨動材料模型中的Cowper-Symonds模型，相應的屈服應力公式如下:

(1)

(2)

表1 船舶材料模型參數

1.2 橋梁部分

橋梁部分的模型是以引江繼漢渠上某大跨度PC連續梁橋為背景,該橋上部結構為PC變截面連續箱梁(75m+130m+75m),混凝土等級為C50,由單箱單室直腹板截面組成?？紤]到本文主要研究的是船舶-橋墩碰撞問題,故在建模時未考慮上部結構中的預應力鋼束,上部結構采用SOLID164實體單元模擬。

而作為本文主要研究對象的墩身部分,其材料本構模型則需要更為細致的考慮。橋墩的主要材料為C30混凝土,混凝土材料是一種多項復合材料,在日常生活中十分常見,對于混凝土材料本構模型,經過大量的研究試驗,構建出許多混凝土材料的動態本構模型,大體上可以分為修正的準靜態本構模型(經驗型)、黏彈性本構模型、黏塑性本構模型及基于損傷理論的本構模型四種類型,其中在碰撞領域運用較多的是基于大應變、高應變率、高壓力的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型。

在船舶與橋墩撞擊的過程中,被撞橋墩主要承受駁船的沖擊、擠壓作用,整體受力、變形較大,十分符合HJC材料本構模型的定位。因此,在本文的有限元模型過程中采用HJC混凝土本構作為橋墩材料,其材料屈服函數如下,具體參數見表2。

表2 HJC材料本構參數表

(3)

最終建立的船舶-橋墩碰撞有限元模型,如圖1所示。

圖1 船舶-橋墩碰撞有限元模型

2 船撞橋墩仿真結果分析

下面,本文將結合LS-PrePost及Hyperview軟件對模型進行后處理,以500 t駁船以3 m/s的速度對中正面撞擊橋墩這一工況為例從碰撞行程中的橋墩的動力響應方面對船舶-橋墩的碰撞過程進行簡要分析。

2.1 墩頂位移響應分析

墩頂作為橋墩的最頂部,其位移響應相對而言最為明顯,故選用墩頂的位移響應作為代表來分析橋墩在撞擊過程中的位移響應,位移時程如圖2所示。

圖2 橋墩墩頂位移時程圖

從圖2中可以看出,橋墩在遭受駁船撞擊后0.029 s(t=0.62 s)達到最大位移,墩頂位移34.7 mm;隨后橋墩回彈,在一定時間內墩身產生一定的振動,在振動過程中,墩身內力持續做功,動能逐漸被損耗,近0.9 s后振動逐漸穩定,墩頂位移穩定在8.44 mm,說明墩身內部可能產生了部分塑形變形。

2.2 撞擊區域應力響應分析

作為碰撞過程中船舶與橋墩之間的首要接觸區域,撞擊區域的應力分析毫無疑問是十分有必要的。在橋墩與船舶的接觸過程中,墩身上位于撞擊區域的混凝土材料將受到船舶的擠壓作用而出現位移的趨勢,此時其周圍的混凝土將起到一定的約束作用,在這個過程中就可能出現剪切破壞,故初步分析,該處的混凝土會發生剪切破壞的現象。

橋墩被撞區域上的剪應力時程變化如圖3所示,從墩身上任選4個單元,用以觀察在整個撞擊過程中墩身被撞區域的剪應力時程變化。

圖3 橋墩被撞區域剪應力時程圖

分析圖3中數據可得知所選4個單元的最大剪應力峰值均超過了17 MPa,遠大于C30混凝土的容許剪應力2.85 MPa,因此可以初步得出結論:橋墩在遭受駁船撞擊作用后,墩身被撞擊區域易發生剪切破壞。

2.3 墩底應力響應分析

通過觀察上文中墩頂位移時程曲線可以發現,橋墩在達到穩定狀態前經歷了相當一段時間的往復運動,而在這個過程中,由于承臺對橋墩的約束作用,故承臺與橋墩連接處必然會產生相當大的應力作用,橋墩底部會相應發生很大的抵抗彎矩,故墩頂與橋臺連接處有很大概率會出現應力過大的現象。

在橋墩底部與承臺連接區域上任意選取的4個單元的第三主應力時程,如圖4所示,用以觀察在整個撞擊過程中墩底的拉應力時程變化。

圖4 橋墩墩底拉應力時程圖

分析圖4中數據可得所選4個單元的最大拉應力達到了20.2 MPa,遠大于C30混凝土的容許拉應力2.01 MPa,因此可以初步得出結論:在遭受船舶撞擊作用后,橋墩墩底易產生拉伸破壞。

3 結束語

本文首先運用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建立了精準高效的有限元模型,簡要分析討論了模型建立過程中材料模型問題。然后通過一典型工況,分析了橋墩在船舶撞擊作用下的應力發展規律與關鍵部位的損傷狀況,并確定其破壞模式。結果表明,在船舶的撞擊作用下,墩頂會產生一定的位移,墩身被撞擊區域易發生剪切破壞,墩底混凝土易發生彎曲破壞。