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1、船舶撞击桥梁的撞击力研究收录时间：2010-12-03作者：吴红兵王宁苏小松來源：中国桥梁网文本摘要：桥梁在船舶碰撞时受到的动力荷栽和响应是复杂的动力非线行问题。通过冲击动力学理论，利用有限元软件ANSYS/LS—DYNA对忠县长江大桥在高低水位下的船舶撞击进行模拟，对船舶在高低水位下的碰撞情况进行对比，将碰撞力数值与各种规范的数值进行比较，为桥墩防撞系统提供保障。关键词：桥梁船舶水位碰撞力1•工程概况本文结合重庆忠县长江大桥进行船舶撞击桥梁的撞击力的设计。忠县长江大桥位于沪蓉国道主干线上，距离忠县县城
2、上游大约8km处，距宜吕航道428.8km,采用设计车速为80km/h的高速公路的标准。忠县长江大桥主桥采用205m+460m+205m的三跨预应力混凝土斜拉桥的结构型式。石柱岸则釆用了112m+200m+112m的三跨预应力混凝土连续刚构作为主引桥。下水的船舶从主桥460m的中跨通过，但是下水的船舶更容易碰撞9#墩，即主桥往湖北利川方向与引桥相接的墩，本文仅以此墩为例分析碰撞力。1・1主桥设计简介主梁为整体开口梁板式断面，索塔横梁为箱型断面，塔墩为带分水尖的单箱8室等截面空心薄壁墩。承台为圆形承台，承
3、台下设置19根直径为3m的钻孔桩。1.2过渡墩设计简介为了增强过渡墩的防撞能力，依据船撞力对过渡墩墩身进行设计。墩身做成带分水尖的单箱5室整体式空心薄壁墩。承台的外轮廓尺寸为31.8m（长）xl2.5m（宽）x6m（高），设圆形倒角，其下设置8根直径为3m的钻孔桩，9#墩桩长为42m0大桥位于三峡水库的上游，在三峡水库蓄满前的船舶通航水位为低通航水位（通航水位标高为144.2m）,水库蓄满后的满库水位为高通航水位（通航水位标高为174.7m）o其所处地理位置使船舶通过大桥时，9#墩（石柱岸过渡墩）被撞的
4、风险最大，所以取5000DWT散货船作为设计船舶。该船舶长109m,型宽18m,型高7.7m,吃水5m,船的初速度为3.5m/s。2•船舶撞击桥梁仿真计算方法本文以忠县长江大桥为例。借助于有限元软件ANSYSLS-DYNA,比较精细地模拟了船舶与桥墩防撞系统碰撞的内部动态过程，并对撞击力和能量转化进行了分析研究。2.1桥梁结构有限元模型对9#桥墩的耐撞性进行的重点研究中，其模型的建立是关键环节。在保证计算效率的前提下，要尽量细致地对实际结构进行离散。根据桥址处的地质情况，主塔和过渡墩的桩基础嵌固在岩层中
5、，模型中将桩基础深入岩层的部分自由度全部固定。过渡墩采用体单元划分,主梁使用梁单元模拟，斜拉索用桁架单元。混凝土材料密度为2600kg/m,泊松比为0.167,弹性模量为3.3e+10Pa,将混凝土作为线弹性单元进行分析。2.2船舶计算有限元模型对碰撞区船赠结构，计算模型作了比较精细的描述，船体中后部因远离碰撞接触区，实际上发生的变形较小。可以忽略，仅提供刚度和质量的影响因此用刚性板简化模拟船体后部结构。形成整船汁算模型，全部质量分布于船身及船头的各单元，重心位于总剖面上，船体材料采用线性强化弹塑性本构
6、关系。船舶采用钢结构，密度为7800kg/m,泊松比为0.3,弹性模量为2.1e+llPa,屈服强度为2・35e+8Pa,硬化模量为2Je+8Pa,失效应变0.35。图1所示为船与桥墩碰撞示意图。图1船与桥墩碰撞示意图应变速率对于材料屈服强度的影响，可以釆用Cowper一Symonds的本构关系来描述，即:£二0(£7%0-1丫阮MS对于船用低碳钢，D=40.4,q=5o1•仿真结果及其分析为了对碰撞的计算机仿真模拟结果有一个较全面的了解，本文着重从船和桥墩的变形、应变应力、吸能情况等几个方血来对分析结
7、杲进行评价。利用大型非线性有限元动态响应分析程序ANSYS/LS-DYNA对2.2节中所建立的碰撞模型进行了数值仿真计算。3.1高通航水位情况高通航水位情况下，船舶撞击9#桥墩。撞击速度为3.5m/s,计算结果见图2〜图5。LS-DYNAu节r纽卩山AContactlcTinie(s)图2舶舶对9#桥墩的撞击力08o06o0,040.020NodenoA62800.51L5Time(s)ILS-DYNAuserinput0.511.5Time(s)NodenoA9157图4船舶速度曲线撞深曲线50403
8、02010(9+H)ENGums-EWTT■dT叶L\AA—/BV厂►X•1•/V1•丿、C.CJB厂B广Comonent/MatdA2IntematEnergyB2KineticEnergyC2HourgtassEnergy000.511.5Time(s)图5能量曲线从这些图中可以看出。咼通航水位碰撞力峰值为26.63MN。整个撞击过程从0.63s开始,随着时间的变化，碰撞力迅速增加，与此同时，船头的构件发生变形，消耗着船舶的内能
