驳船与单桥墩碰撞的非线性有限元分析外文翻译资料

 2022-03-18 10:03

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驳船与单桥墩碰撞的非线性有限元分析

沙燕燕*, 郝红

西澳大利亚大学土木工程与资源工程学院,澳大利亚克劳利斯特林公路35号

文章信息 摘要

文章历史

2011年2月23日收到

2012年3月12日修订

2012年 3月12日接受

2012年4月22日上线

关键字:

驳船-桥墩碰撞

冲击力

压溃深度

非线性分析

船舶与桥墩碰撞是导致桥梁失效的最常见事故之一。为了可靠地评估由驳船撞击引起的桥梁响应和损坏,并设计桥墩以抵抗这种影响,应该将冲击力准确定义。在以往驳船与桥墩碰撞的数值模拟中,主要为确定驳船的冲击力,假定桥墩是刚性的或弹性的,忽略了驳船与桥墩之间的相互作用。由于桥墩塑性变形和破坏会吸收冲击能量,延长相互作用时间,因此在刚性和弹性桥墩假设下,作用在桥墩上的冲击力可能无法准确预测。在本文中,LS-DYNA开发了详细的驳船-墩冲击数值模型。采用非线性材料对桥墩进行建模,来更真实地生成桥墩的特性。并计算了驳船墩冲击力时程,驳船压溃深度和桥墩位移。利用文献中已有的一些结果对数值模型的可靠性进行了校准。以基于数值结果推导出简化的公式来预测碰撞条件下的撞击力时程。将数值计算结果与以往的工作进行了比较。并讨论了当前规范准则的适用性。

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http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.03.026

通航航道上的桥梁结构设计通常需要抵抗风荷载、车辆荷载和地震激励。然而除了这些荷载,桥梁尤其是桥墩易于发生意外的船桥碰撞,而它们应该能够抵抗这种船舶碰撞力。根据Manen和Frandsen[1]和Larsen[2]的说法,全世界每年至少发生一次严重的船舶碰撞事件,许多此类碰撞都会造成严重后果。据报道,1960-2007年期间,由于船舶(船舶或驳船)的碰撞,全球共发生34起桥梁倒塌事件,共造成346人死亡。例如,1980年一艘空的3.5万吨散货船与美国Sunshine Skyway大桥的一个支撑桥墩发生碰撞。该桥发生碰撞后倒塌,有35人在此次事故中丧生[3]。最近的一个灾难性事故发生在2007,一艘货轮撞上了中国广东九江斜拉桥,导致两侧跨破坏[4](见图1)。除了九人丧生之外,这起事故还造成了重大的经济损失和漫长的法律争端。因此,保护穿过水道的桥梁桥墩非常重要。要做到这一点,必须可靠地预测桥墩可能受到的船舶冲击载荷。

图1.驳船碰撞后桥梁坍塌的例子

为了量化船舶与桥墩碰撞过程中的碰撞载荷,Minorsky[5]进行了26次船舶碰撞试验。根据实验结果,他提出了穿透阻力与碰撞能量吸收之间的经验关系。发现了变形钢体积与吸收冲击能量之间存在线性关系。从1967年到1976年,Woisin[6]为保护德国核动力船舶进行了多次高能船舶碰撞试验,他修改了Minorsky的方法,并对船桥碰撞提出了新经验公式。为了评估驳船-墩冲击力,Meir-Dornberg [7]进行了缩小比例的欧洲斗式驳船静态和动态摆锤冲击试验,并开发了一个等效的静态方法来计算冲击力。根据这项研究,美国国家公路交通官员协会(AASHTO)于1991年公布了“公路桥船舶碰撞设计导则规范和注释”[8]. 美国巨型漏斗(JH)驳船和欧洲驳船之间的尺寸差异在AASHTO的表述中仅做了微小的修改。碰撞过程中产生的最大冲击载荷是碰撞驳船质量、速度和桥梁结构形态的函数。尽管使用等效静力法计算冲击力的AASHTO规范提供了一种简单的方法来确定设计桥墩抵抗驳船撞击的冲击力,但驳船-桥墩碰撞过程本质上是动态的。简单地量化静载荷的影响可能会导致对驳船桥墩碰撞响应的预测不切实际。

例如,2004年,在美国佛罗里达州圣乔治岛高士威大桥(St.GeorgeIsland Causeway Bridge)的一艘驳船和一座真桥之间进行了一组全尺寸驳船冲击试验[9]。 测试表明,在小的驳船弯曲变形水平上,AASHTO规范给出的冲击载荷预测值比测试中获得的要小。然而,在较大的变形水平下,AASHTO规范预测的这些冲击载荷明显大于测试结果,表明目前的AASHTO规范忽略了动态效应,而这可能会对桥墩的驳船冲击载荷做出不准确的预测。

虽然实验测试简单明了,而且提供了良好的冲击载荷测量,但它们代价高昂、耗时且通常无法执行。有限元法是研究船墩碰撞问题的一种替代方法。Pedersen等人[10]回顾和总结了数值模拟的优点,发现有限元模拟效率高,结果合理。Consolazio和Cowan[11]建立了有限元模型来分析单个驳船撞击几个桥墩的情况。在研究中,采用有限元程序ADINA,研究了桥墩大小和形状对桥墩结构的影响。 Jin等人[12]研究了由于驳船碰撞造成的平台损坏。 Yuan和Harik [13]利用有限元方法研究了舰队对桥墩的冲击。在LS-dyna软件包中,他们建立了多驳船船队撞击桥墩的数值模型。在这些研究中,虽然在驳船结构的建模方面特别注意,但因难以模拟钢筋混凝土结构的非线性响应和损伤,所以模型中的桥墩被假定为刚性或弹性。由于桥墩和驳船在碰撞过程中会发生碰撞破坏和冲击破坏,桥墩塑性变形和破坏会影响碰撞过程,需要准确预测驳船与桥墩在碰撞过程中的相互作用,从而获得更准确的撞击桥墩的冲击力。此外各驳船的非线性响应及破坏和桥墩都应考虑在数值模拟中。

本文采用动态FE代码LS-DYNA 建立了驳船和钢筋混凝土桥墩的非线性有限元模型 [14]。首先以比较为目的建立了驳船-刚性桥墩碰撞模型。将模拟的冲击力与文献中可用来校准数值模型的冲击力进行比较。然后用非线性混凝土和钢材对桥墩进行建模,以产生更真实的桥墩特性。还讨论了非线性桥墩响应对冲击力的影响。本文的目的是研究非线性非弹性响应与墩和驳船的破坏对冲击力的影响,以及在不同碰撞条件下对桥墩驳船冲击力的更准确预测。并进行了参数研究,以分析驳船质量和驳船速度对冲击力的影响。

2.驳船-桥墩碰撞数值模型

2.1.驳船和桥墩配置

根据AASHTO的说法,JH驳船是美国水道中使用最广泛的驳船类型,因此在不失去一般性的情况下,本文采用JH驳船作为基线模型。典型的JH美国内陆水道使用的驳船如图2所示[15]。表1给出了相应的参数。

本文研究了一个截面尺寸为3.1X3.1 m和15 m高的方墩。该桥墩被模拟为一个钢筋混凝土柱,顶部有一个集中的质量以模拟桥墩支撑的重量。桥墩沿驳船的纵向轴线布置,驳船前表面和桥墩之间的距离为0.49米,以避免初始穿透。应该指出的是,本研究中的分析不包括土壤-结构相互作用效应,假定桥墩在基础处向四面八方固定。整体驳船-桥墩碰撞模型如图3。

2.2. 单元

在软件包ANSYS中建立FE驳船模型(参见图3)。由于在挤压阶段,大部分动能通过驳船船首结构的变形而消散,驳船船头需被仔细地模拟以表示接触区域的实际刚度。驳船船头的前部采用高密度有限元网格建模,后部采用相对粗糙的网格进行建模,因为预计该区域会发生相对较小的变形,而尾部没有塑性变形,驳船的漏斗部分采用具有弹性材料特性的大型实体单元建模来提高计算效率。

采用四节点壳单元模拟钢外板,而用三节点梁单元模拟内桁架。内部桁架焊接在外板上,并使用LS-DYNA中的CONSTRAINED_SPOTWELD进行建模。漏斗段采用八节点砖单元。桥墩的混凝土和钢筋采用八节点实体单元和三节点梁单元进行建模。在数值模拟中,该桥墩采用刚性或弹性或详细的混凝土和钢材料特性建模,以能模拟塑性变形和损伤。桥墩上部的支撑质量为130吨,代表着桥梁上部结构的质量,采用LS-dyna单元Mass166建模。在进行网格收敛试验后,JH驳船和桥墩的数值模型由11709个壳体、10760个梁和154952个实体单元组成,将在第3节中详细讨论。表2中列出了模型中每个结构组件的元素类型。

2.3.材料模型与接触界面

采用弹塑性材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC对驳船船体的外壳和内部桁架进行建模。考虑应变率效应的各向同性和运动硬化塑性是一种经济有效的模型。当破坏应变达到0.35时,材料失效[16]。著名的Cowper-Symonds方程(1)描述了结构钢的弹性粘塑性行为。

图 2. 漏斗驳船示意图.

表 1

本模型中使用的驳船尺寸。

表 2

驳船和桥墩模型所使用的单元类型概述。

符号

AASHTO 1991 (ft)

本文 (m)

LB = 长度

195

59.4

BM =宽度

35

10.6

RL = 船首柱长度

20

6

DB = 船首深度

13

4

DV = 船深

12

3.7

HL = 头部记录深度

2–3

0.5

(1)

物体

部分

元素类型

驳船

SHELL163

桁架

BEAM161

漏斗

SOLID164

桥墩

BEAM161

混凝土

SOLID164

集中质量

MASS166

其中为单轴塑性应变速率时的动态流动应力,为相关联的静态流动应力,C和P为材料常数。材料常数见表3。当假定桥墩刚性时,使用MAT_RIGID。这种材料类型提供了将有限元素转化为刚体的便捷方式。

在有限元建模中,不同单元界面滑动接触的处理是一个重要的问题,特别是对于涉及大变形的问题。仿真中采用了两种接触算法,即LS-DYNA中的接触自动曲面(ASTS)和接触自动单曲面(ASSC)。为了避免在不同材料性能和网格尺寸的网格界面上进行渗透,对驳船船头和桥墩接触确定了接触算法ASTS。这些表面之间的动态和静态库仑摩擦值都设置为0.3 [17]。船首的外壳和内桁架也可能发生大变形,当驳船撞到桥墩时,它们可能会发生明显的变形,并可能相互接触。选择接触摩擦值为0.21的接触算法来处理该区域的接触[18],因为它能够检测定义元素GR中发生的所有接触。尽管实施ASSC会导致计算时间的增加,但由于碰撞引起的大变形,驳船外钢板与内部桁架(见图4)之间的可能接触能被更真实地模拟。

3.数值模型的校准

3.1. 模型网格和收敛性测试

LS-dyna在各种显式方法中采用中心差分法[19]。显式方法的一个缺点是,只有当操作符的最大时间增量小于应力波传播通过单元网格的最小过渡时间的临界值时,它才是条件稳定的[20]。

图 3.驳船和桥墩的有限元模型

表 3

钢和混凝土的材料特性

材料

LS-DYNA 模型

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