基于LS-DYNA的船舶-桥墩碰撞研究

陈忠宇, 黎恩华, 张林凯

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着科技水平及社会经济的飞速发展,我国交通运输行业在近几年取得蓬勃发展。随之而来的是,各地的各式桥梁越来越多,各处航道的通航环境日益复杂,各式各样的船-桥碰撞事故日益增多。另一方面,船桥碰撞问题所涉及的影响因素十分复杂,包括桥梁类型、撞击部位、撞击角度、船型、航道水位等,且分析过程中也需要考虑到大量的非线性问题,如材料非线性、接触非线性等,这些问题都使得船桥问题的研究分析有一定的复杂度。

本文将以DWT 500型船舶与引江继汉渠上某大跨度PC连续梁桥间的碰撞为工程背景,使用ANSYS软件进行建模分析,研究在撞击作用下桥梁墩部各关键部位的动力响应及最易破坏形式,为大跨度PC连续梁桥的安全评估及防撞设计提供参考。

1 有限元模型概况

1.1 船舶部分

驳船有限元模型主要由船艏、船身、质量块等部位构成,鉴于本文的主要研究对象为桥墩部分,故对船舶模型部分进行一定简化。其基本建模原则是:所呈现的船舶模型能够体现出实际船舶的碰撞刚度、动量、材料特征即可。另一方面,考虑到在碰撞过程中船艏部分产生的形变较大,必须要考虑该处材料的应变率和失效,因此船艏处的材料模型采用塑性随动材料模型中的Cowper-Symonds模型，相应的屈服应力公式如下:

(1)

(2)

表1 船舶材料模型参数

1.2 桥梁部分

桥梁部分的模型是以引江继汉渠上某大跨度PC连续梁桥为背景,该桥上部结构为PC变截面连续箱梁(75m+130m+75m),混凝土等级为C50,由单箱单室直腹板截面组成。考虑到本文主要研究的是船舶-桥墩碰撞问题,故在建模时未考虑上部结构中的预应力钢束,上部结构采用SOLID164实体单元模拟。

而作为本文主要研究对象的墩身部分,其材料本构模型则需要更为细致的考虑。桥墩的主要材料为C30混凝土,混凝土材料是一种多项复合材料,在日常生活中十分常见,对于混凝土材料本构模型,经过大量的研究试验,构建出许多混凝土材料的动态本构模型,大体上可以分为修正的准静态本构模型(经验型)、黏弹性本构模型、黏塑性本构模型及基于损伤理论的本构模型四种类型,其中在碰撞领域运用较多的是基于大应变、高应变率、高压力的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型。

在船舶与桥墩撞击的过程中,被撞桥墩主要承受驳船的冲击、挤压作用,整体受力、变形较大,十分符合HJC材料本构模型的定位。因此,在本文的有限元模型过程中采用HJC混凝土本构作为桥墩材料,其材料屈服函数如下,具体参数见表2。

表2 HJC材料本构参数表

(3)

最终建立的船舶-桥墩碰撞有限元模型,如图1所示。

图1 船舶-桥墩碰撞有限元模型

2 船撞桥墩仿真结果分析

下面,本文将结合LS-PrePost及Hyperview软件对模型进行后处理,以500 t驳船以3 m/s的速度对中正面撞击桥墩这一工况为例从碰撞行程中的桥墩的动力响应方面对船舶-桥墩的碰撞过程进行简要分析。

2.1 墩顶位移响应分析

墩顶作为桥墩的最顶部,其位移响应相对而言最为明显,故选用墩顶的位移响应作为代表来分析桥墩在撞击过程中的位移响应,位移时程如图2所示。

图2 桥墩墩顶位移时程图

从图2中可以看出,桥墩在遭受驳船撞击后0.029 s(t=0.62 s)达到最大位移,墩顶位移34.7 mm;随后桥墩回弹,在一定时间内墩身产生一定的振动,在振动过程中,墩身内力持续做功,动能逐渐被损耗,近0.9 s后振动逐渐稳定,墩顶位移稳定在8.44 mm,说明墩身内部可能产生了部分塑形变形。

2.2 撞击区域应力响应分析

作为碰撞过程中船舶与桥墩之间的首要接触区域,撞击区域的应力分析毫无疑问是十分有必要的。在桥墩与船舶的接触过程中,墩身上位于撞击区域的混凝土材料将受到船舶的挤压作用而出现位移的趋势,此时其周围的混凝土将起到一定的约束作用,在这个过程中就可能出现剪切破坏,故初步分析,该处的混凝土会发生剪切破坏的现象。

桥墩被撞区域上的剪应力时程变化如图3所示,从墩身上任选4个单元,用以观察在整个撞击过程中墩身被撞区域的剪应力时程变化。

图3 桥墩被撞区域剪应力时程图

分析图3中数据可得知所选4个单元的最大剪应力峰值均超过了17 MPa,远大于C30混凝土的容许剪应力2.85 MPa,因此可以初步得出结论:桥墩在遭受驳船撞击作用后,墩身被撞击区域易发生剪切破坏。

2.3 墩底应力响应分析

通过观察上文中墩顶位移时程曲线可以发现,桥墩在达到稳定状态前经历了相当一段时间的往复运动,而在这个过程中,由于承台对桥墩的约束作用,故承台与桥墩连接处必然会产生相当大的应力作用,桥墩底部会相应发生很大的抵抗弯矩,故墩顶与桥台连接处有很大概率会出现应力过大的现象。

在桥墩底部与承台连接区域上任意选取的4个单元的第三主应力时程,如图4所示,用以观察在整个撞击过程中墩底的拉应力时程变化。

图4 桥墩墩底拉应力时程图

分析图4中数据可得所选4个单元的最大拉应力达到了20.2 MPa,远大于C30混凝土的容许拉应力2.01 MPa,因此可以初步得出结论:在遭受船舶撞击作用后,桥墩墩底易产生拉伸破坏。

3 结束语

本文首先运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建立了精准高效的有限元模型,简要分析讨论了模型建立过程中材料模型问题。然后通过一典型工况,分析了桥墩在船舶撞击作用下的应力发展规律与关键部位的损伤状况,并确定其破坏模式。结果表明,在船舶的撞击作用下,墩顶会产生一定的位移,墩身被撞击区域易发生剪切破坏,墩底混凝土易发生弯曲破坏。