撞击桥墩时的河冰失效模式的研究.pdf

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1、于天来等：撞击桥墩时的河冰失效模式的研究45撞击桥墩时的河冰失效模式的研究于天来，单思镝，袁正国(东北林业大学土木工程学院。哈尔滨150040)【摘要】为研究河冰在撞击桥墩时的失效模式，使用LS—DYNA显示动力分析软件对冰排及T构桥梁建立有限元模型，计算不同失效准则下冰排对桥墩的撞击力。提出河冰撞击桥墩时，河冰破坏的两阶段过程及计算流冰撞击力时冰排失效准则的选取方法。【关键词】冰排；撞击力；失效；LS—DYNA【中图分类号】U443．2；U443．86【文献标识码】B【文章编号】lol-6864(2011)04-0045-03我国北纬30。以北的河流普遍存在冰情危害。在

2、冰情严重的年份，春季流冰的撞击力对桥墩等水工建筑物会造成不同程度的破坏。为减小结构破坏，减小流冰对桥墩的撞击力，有必要对流冰对桥墩撞击力进行分析。在对流冰对桥墩的撞击作用的分析中，采用有限元数值仿真分析是一个有效的办法。应用对称罚函数算法计算流冰对桥墩的撞击力，然后再将撞击力代入荷载向量，采用中心差分法计算冰排与桥梁结构的响应。但是从现场试验来看，当冰排到达一定响应时，例如冰排的应变与应力达到一定值时，冰图110#t~冰压力传感器布置排将发生破坏。因此，在有限元仿真分析中应该考虑到这坏呈现出两个过程。通过现场试验观测，可将单个冰排撞种情况，对冰排设定失效准则。本文通过佳木

3、斯松花江公击竖直桥墩的破坏过程分为初始阶段和破坏阶段这两个阶路大桥的现场试验和有限元计算分析，提出高冰速下冰排段：①冰排在刚刚接触竖直的桥墩的初始阶段，撞击力很撞击桥墩破坏的两阶段模式和适用于不同情况的冰排失效小。这个阶段虽然冰排向前运动，但是冰排本身并未产生准则。裂纹。只是随着冰排的运动，与桥墩接触的部分挤压产生1流冰撞击力的现场试验的碎末冰堆积在墩前，此时冰排的破坏表现为接触部分的1．1佳木斯松花江公路大桥简介挤压破坏；②随着撞击过程的进行，此时单个冰排会在桥墩佳木斯松花江公路大桥主桥主孔采用预应力混凝土T前沿前进方向产生明显的纵向裂纹(若冰排受到两侧冰排型刚构，边孔

4、为装配式预应力混凝土简支梁，跨径布置为8挤压时，冰排会产生斜向45。的裂纹)。而后，裂纹继续延×30+55+lo+5×120+lo+55+8X30m。墩身采用伸，同时撞击力逐渐增大并在某一时刻达到最大值，这时冰(325混凝土，主梁采用CAO混凝土。跨径100m和120m的排裂纹延伸至最大，冰排劈裂，其破坏表现为劈裂破坏。破预应力混凝土T型刚构跨中均设30m挂梁。主孔采用沉井坏后的其它部分向下游流去。这个阶段也称为破坏阶段。基础及重力式墩台。在最大冰排的劈裂破坏作用下，实测桥墩的最大冰压力为1．2流冰对桥墩撞击力现场试验2432．82kN，实测冰力时程曲线见图2。由图2可以

5、看出，冰为理论分析提供实测的验证资料，2009年4月l2日对排的撞击力在最初0．1s前增长较缓慢，这是由于这时冰排松花江佳木斯大桥主桥10#墩的流冰撞击力进行了现场测呈现挤压破坏；而后撞击力迅速提高，这时冰排裂缝也逐渐量。实测流冰速度为1．45m／s，气温为13~C，水温为0．1℃，扩展并在撞击力时程峰值时冰排产生劈裂破坏。可见，在冰排的加权平均温度为一0．62~CLl，最大冰排尺寸为80m×高冰速的情况下(冰排流速大于0．5m／s，这时冰排在撞击桥60m，冰厚为0．6m。墩时为高应变速率)，冰排的破坏形式是劈裂破坏。在最大冰排作用下，通过在桥墩上布设的冰压力传感2数值计

6、算时冰排失效的准则器，实测桥墩的最大冰压力为2432．82kN，传感器的布设情冰排对桥墩的冲击问题是十分复杂的，精确计算撞击况见图1，冰力时程曲线见图2。力的大小是十分困难的。而运用对称罚函数算法计算撞击1．3现场观测的冰排破坏模式力，再用中心差分法计算动力响应，并代入冰排的失效准河冰流速一般都大于0．5m／s(冰排处于高应变速则，这种分析方法是可行的。LS—DYNA显示动力分析软件率I2)，通过对河冰撞击独立桥墩的现场观测可知，当撞击可以很好地胜任这种计算要求。LS—DYNA中，冰排单元的独立桥墩时，冰排为脆性劈裂破坏，并且冰排的脆性劈裂破失效是通过删除达到最大失效准则

7、的冰排单元来实现的。[基金项目】国家自然科学基金资助项目(50878020)；交通部西部交通建设科技基金资助项目(200731800035)低温建筑技术2011年第4期(总第154期)表1。Z表1冰排失效准则对计算撞击力的影响柑冰排失效准则剿计算结果————法向拉应力失效法向压应力失效时间，s驯。图2实测冰力时程曲线通过对流冰对桥墩撞击作用的LS—DYNA建模仿真，计算由表1可以看出，若按最大压应力控制冰排的失效准2并分析了冰排的压应力失效与拉应力失效情况下的撞击力则，其撞击力明显过小。在此失效准则下，随着模型的冰排计算结果，