海上V型桥墩抗撞分析研究

海上 V 型 桥墩抗 撞分析 研究

张鹏

天津市政工程设计研究总院有限公司 , 天津市 300392

摘要：以某海上中承式大型拱桥为研究对象，建立桥梁整体三维有限元模型。采用静力法对桥梁模型的桩基部分进行自身抗力计算，获取各桥墩自身极限船撞力。建立局部精细化桥梁V形桥墩与船舶模型，并利用动力数值模拟法对船舶与桥梁之间的碰撞过程进行分析，得到各工况下船撞力、墩顶横桥向位移以及撞深的最大值。研究结果表明，该桥桥墩的自身抗力满足船舶撞击力的要求，同时应在通航孔两侧布置柔性防撞护舷，以提高对桥墩与船舶的防护性能。

关键词：V型桥墩；船桥碰撞；船撞力；防撞措施；数值模拟

0 引言

在建设交通强国的时代背景下，跨海桥梁成为沟通各地的重要枢纽。为了对海上航运关键区域船桥碰撞的风险进行评估，并采取合理的防撞措施，应对船桥碰撞情况进行数值模拟和预测。

为解决上述问题，众多专家学者对此作出研究与探讨。张兴国^[1]等采用组合式钢套箱释放撞击过程产生的能量，降低了桥墩受损程度，为实际的工程应用提供了参考。蔡斌斌^[2]建立了精细化船桥有限元模型进行碰撞过程模拟，并根据模拟结果提出了“固定式橡胶护弦”与“FRP桥墩防撞浮箱”两种防撞方案。但目前针对海上大型拱桥的防撞研究内容较少，此类问题有待于进一步的研究和探索。

1桥墩极限船撞力计算

1.1桥墩极限船撞力的计算方法

根据《公路桥涵设计通用规范》^[3]的规定，采用Midas Civil按“静力法”将横桥向的水平船撞力施加到水位线以上2m处，计算桥墩或桩基的最不利内力，确定控制截面。利用Ucfyber软件，采用纤维单元，对桥墩或桩基的控制截面进行M－φ分析，进而得到桥墩在该水位下的极限船撞抗力。

1.2计算结果

选取最高通航水位以上2m为船舶与桥墩的碰撞位置进行极限船撞力的计算，结果见表1。

表1 各桥墩自身极限船撞力表（横桥向）

2桥梁船撞数值模拟

2.1建模思路及船桥碰撞工况

本文通过LS-DYNA平台，采用动力数值模拟法对船桥撞击作用进行计算，并利用接触算法完成相撞结构物之间的碰撞作用的模拟工作。为了精度较高的计算结果，采用细致的网格，并将材料的应变速率反映到船桥碰撞区域的材料本构关系中。船桥碰撞模拟中混凝土材料采用弹性本构关系，密度为2500kg/m3，泊松比0.17。

根据风险评估结果，确定拱桥P24、P25主墩，P21过渡墩的船撞设防代表船舶均为1000DWT级，具体工况设置见表2。

表2 拱桥船撞数值模拟工况

2.2桥墩与船舶的精细化模型

通过桥区地形分析、水位分析以及船舶的吃水深度分析，P21、P25受船舶撞击发生在桥墩部位，P24受船舶撞击发生在承台部位，所以本次数值模拟计算为大桥各墩最高通航水位以下的部分。计算模型中V型桥墩与承台均采用实体单元建模，桩基采用梁单元进行模拟；为了缩短计算时间，其他不与船舶发生直接接触的部分网格尺寸较大。

为精确反映船舶撞击桥梁的动力响应，同时提高计算效率，船舶模型船艏部分采用壳单元进行精细化建模，单元尺寸为3~5cm，船体过渡段网格逐渐变粗。船艏钢板采用弹塑性本构关系，钢材为Q235钢，密度7800kg/m3，弹性模量E=2.1e11Pa，泊松比0.3，屈服应力2.35e8Pa。

船身部分采用壳单元建模，由于碰撞对船身影响不大，只进行了粗略的几何建模和网格划分，并且忽略单元变形，故采用刚体材料。

2.3数值模拟结果分析

2.3.1工况1计算结果

工况1中撞击船舶的计算吨位为1600吨，撞击速度为4m/s，撞击角度与桥梁法向成0°角。

船舶与桥墩的撞击过程中出现了动能、内能、滑动能等之间的能量相互转化，但总能量趋于不变，沙漏现象能得到较好的控制。经计算，船舶撞击力最大值为9.3MN，出现在撞击发生后0.56秒。墩顶位移最大值为2.6mm，出现在撞击发生后0.85秒。船舶的最大撞深为2.41m，发生在撞击后1.05秒。撞击过程中的有关响应量的最大值汇总见表3。

表3 各响应最大值

2.3.2工况2计算结果

工况2中撞击船舶的计算吨位为1600吨，撞击速度为4m/s，撞击角度为与桥梁法向成0°角。经计算，船舶撞击力最大值为10.4MN，出现在撞击发生后0.42秒。墩顶位移最大值为1.3mm，出现在撞击发生后0.9秒。船舶的最大撞深为1.74m，发生在撞击后1.05秒。撞击过程中的有关响应量的最大值汇总见表4。

表4 各响应最大值

2.3.3工况3计算结果

工况3中撞击船舶的计算吨位为1600吨，撞击速度为4m/s，撞击角度为与桥梁法向成0°角。经计算，船舶撞击力最大值为9.29MN，出现在撞击发生后0.61秒。墩顶位移最大值为0.9mm，出现在撞击发生后0.95秒。船舶的最大撞深为2.38m，发生在撞击后1.15秒。撞击过程中的有关响应量的最大值汇总见表5。

表5 各响应最大值

3结语

本文通过对海上大型拱桥进行了自身抗力的计算，并精细化模拟了桥梁下部结构与船舶模型之间的碰撞作用，得到的主要结论如下：

（1）该桥桥墩的自身抗力满足船舶撞击力的要求。

（2）为了对桥墩进行局部防护，同时为了保护船舶，建议在通航孔两侧布置柔性防撞护舷。

参考文献

[1]张兴志，夏雪，季乐乐，张可成.大型跨海桥梁防撞设施设计与施工技术[J].上海船舶运输科学研究所学报，2021，44（1）：6-10.

[2]蔡斌斌.船舶-桥墩碰撞有限元数值仿真及桥墩防撞装置的研究[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[3]JTG-D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].

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