基于数值仿真船桥碰撞工程应用

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1、基于数值仿真船桥碰撞工程应用　　摘要：本文结合武隆土坎乌江桥的实例，分析了桥墩在船舶撞击力的作用下桥墩的防撞能力。利用MSC-Patran程序建立仿真模型，根据实际航运现状采用不同的水位，角度，速度进行数值仿真计算，并给出不同工况作用下桥墩承受船撞力作用的仿真结果，通过对比得出桥墩能承受的最大撞击力。关键词：数值仿真船撞工程应用中图分类号：U445.6文献标志码：A文章编号：引言随着我国交通运输事业的迅猛发展，跨越内河、海湾以及海峡的桥梁大量被修建，同时随着航道等级的不断提高，船舶吨位也随之增加，导致船舶撞击桥梁墩台基础的事故屡屡发生。根据国内外船撞桥的事故统

2、计资料显示，桥梁因遭受船舶撞击而发生结构整体坍塌约占事故总数的10％，在绝大多数情况下，船舶对桥梁的撞击都会造成桥梁结构的局部或大面积的损伤。船舶对桥梁的撞击在一定程度上降低了桥梁在设计寿命期内的承载能力、耐久性，并且较大地影响了桥梁运营的安全性。如何评估桥梁受船舶撞击后的损伤以及在设计中提高桥梁的抗船撞安全性是摆在桥梁设计者和管理者面前丞待解决的问题。6随着计算机硬件技术的迅速发展，有限元技术的应用能力也在高速发展。大量实例已经证明有限元仿真技术是一种有效且可靠的分析方法。在船舶碰撞桥梁的研究中，仿真分析日益被研究者们所采用。作为一种先进的技术工具，数值仿真

3、方法不仅能反映出碰撞过程中的一般现象和规律，而且能对碰撞部位的变形和损伤进行详细地描述。有限元仿真为船桥碰撞力学问题的研究提供了新的技术手段，并很大程度上拓展了研究者的思路。工程简介土坎乌江大桥跨径组合为2×25m连续箱梁+（96+180+96）m连续刚构+3×28m连续箱梁，桥梁总长度为517.5m，桥梁下部结构主墩采用双肋式柔性薄壁墩，两肋间净距6米，墩身横桥向宽度与主桥箱梁底板同宽，均为11.0米，墩身顺桥向宽度为2米，每肋的截面尺寸为2×11.0米。每个主墩承台下设置8根群桩基础，桩径均为250cm。船舶对桥墩撞击由桥墩结构抵抗，考虑桥墩的分水及美观效

4、果在主桥墩（3号墩和4号墩为对称墩）的两侧设置为圆端形。船撞击桥墩数值仿真6本文采用MSC-Patran软件对桥梁的3号、4号主墩建立数值仿真模型。分析软件采用基于显式算法的LS-DYNA。相撞结构物之间的碰撞作用采用接触算法来完成。根据桥梁船撞概率安全评估结果和实际船舶航运调查结果，选取最不利的碰撞工况。2.1计算模型通过水位分析以及船舶的吃水深度分析，船舶撞击主要发生在桥墩部位。所以本次数值仿真主要计算主墩最高通航水位以下的部分，承台以及桩均采用实体单元进行划分，为了缩短计算时间，其他不与船舶发生直接接触的部分采用杆件单元进行模拟。船舶模型考虑考虑到船艏在

5、碰撞过程中的大变形、屈曲以及内部构件的自接触等力学行为，对船艏结构的有限元模型作了比较精细地描述。对于远离碰撞区域地船体中后部则简化为刚体。本文通过对现场情况和当地海事部门的调研结果采用了1500t散货船。2.2计算工况根据《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》方法和AASHTO方法对比得到桥梁船撞概率安全评估最不利工况。工况1：4号墩（撞击角度：与桥轴法线夹角0o角，水位：200.35m,撞击速度：3.96m/s，撞击墩位：1500t）。工况2:4号墩（撞击角度：与桥轴法线夹角30o角，水位：200.35m,撞击速度：3.96m/s，撞击墩位：1500t）。

6、2.3计算结果工况1：4号墩正撞（水位200.35，1500t,63.96m/s，远期）撞击力时程工况2：4号墩斜撞（水位200.35，1500t,3.96m/s,30°，远期）撞击力时程过对土坎乌江桥主墩对工况1的数值模拟分析得到：3号、4号主墩的最大撞击力为14.83MN，墩顶最大位移为29.45mm,船首最大撞深1.49m。对工况2的数值分析得到：3号、4号主墩的最大撞击力为5.68MN，墩顶最大位移为18.65mm，船首撞深2.76m。结论通过动力数值模拟与概率船撞安全评估对比，主要有以下结论：（1）3号主墩：根据仿真分析的结果，3号主墩远期的设防船撞

7、力不小于14.83MN（对应水位200.35m），而3号主墩的基础抗力分别为11MN（对应水位183.5m），根据指南方法评估结果，3号主墩在2012年、2022年和2050年的预测通航密度下年倒塌频率分别为4.46×10-5/年、4.90×10-5/年、1.06×10-3/年，其船撞风险在2022年之前满足可接受风险，但在2050年其船撞风险已高于可接受风险。6（2）4号主墩：根据仿真分析的结果，4号主墩远期的设防船撞力不小于14.83MN（对应水位200.35m），而4号主墩的基础抗力为10MN（对应水位183.5m），根据指南方法评估结果，4号主墩在20

8、12年、2022年和2050年的预测通