矩形桥墩与圆形桥墩在船舶刮擦碰撞下的损害评价对比分析.doc

1、矩形桥墩与圆形桥墩在船舶刮擦碰撞下的损害评价对比分析摘要：ABAQUS 作为一款分析软件，拥有强大的非线性分析能力；作为后起之秀，已然成为各学科的工程师首选的一款分析软件，特别在机械，土木领域逐渐崭露头角。笔者对矩形截面桥墩与圆形截面桥墩通过建立模型，运用 ABAQUS 模拟刮擦碰撞，比较两种不同截面桥墩的抗撞能力。一般来说，圆形截面桥墩较矩形截面桥墩抗撞性能要好一些。 关键词：ABAQUS 圆形截面 矩形截面 桥墩 船舶 刮擦碰撞 中图分类号：TU74 文献标识码： A 前言 随着经济的快速发展，为适应交通运输快速，便捷，畅通的要求；国内建造了一大批跨江，跨海大桥。同时航运业也发展迅速；船舶

2、的数量，吨位不断增加，大量的各种船舶，频繁的通过跨越在航道上的桥梁；由于船和桥，在航道上是既矛盾又统一的集合体，船要安全的通过桥梁，但是桥梁的出现又减少了船舶航道的宽度，增加了船桥碰撞的风险。因此，桥梁的船撞问题，成为桥梁设计和建造的重要课题。对于大跨度桥梁，一般，水中建有众多桥墩，同时也包括数量众多的非通航桥孔；由于非通航桥孔的桥墩跨度小，自身的防撞能力也相对较弱；这不仅增加了船撞桥的风险，也增加了桥被撞损的危险性。笔者认为，非通航桥孔桥墩的主要船撞风险因素大概有三个：1，失控漂移船舶，在风浪和激流共同作用下发生漂移并可能与桥墩发生碰撞的情况。2，人为失误，错误操作，误驶入非通航桥孔，可能引

3、起的碰撞情况。3，锚泊船舶发生走锚的风险，在桥附近有锚地的锚泊船，在遇到大风浪，激流等综合作用下发生走锚，并与桥墩发生碰撞的情况。 文中笔者通过应用 ABAQUS 强大的非线性分析能力，建立圆形截面和矩形截面桥墩（以正方形截面为例） ，分别与船舶刮擦碰撞的有限元模型；以期通过显示动力学分析模块，更好地给出模拟实际刮擦碰撞过程的结果；并通过多个方面来比较两种桥墩形式，在刮擦碰撞情况下的优劣。 建立 ABAQUS 分析的有限元模型和尺寸 （1）船舶模型： 总长（m） 型宽（m） 型深（m） 吃水（m） 质量（吨） 71 13.6 6.8 4.8 24500 1.船模 （2）圆形截面桥墩和矩形截面桥

4、墩： 墩 承台 桩 高（m） 24 0.3 12 截面积（） 36 121.5 8.817 数目（个） 1 1 6 材料 砼 刚体 砼 .2.圆柱形桥墩模型 3.矩形桥墩模型 2,建模及计算原则 （1） ，针对研究对象是桥墩，故船舶模型比较粗糙，单元不追求更加的精细。 （2） ，对于两种桥墩，均采用混凝土塑性损伤模型，引入相同的混凝土本构关系参数，完全相同的配筋率。 （3） ，由于研究船与桥墩的作用关系，故将承台简化为刚体模型，以节省计算的工作量。 （4） ，控制船舶横桥向运动，计算的碰撞点在桥墩墩身上距承台 6m处，船头碰撞点在距右舷水平距离 0.55m 位置处。船舶以相同的接触点，方向（横

5、桥向） ，速度（4 m/s）与桥墩发生碰撞。 （5） ，接触面摩擦系数：采用欧洲规范给出的 0.4。 （6） ，给定时间 1.5s。 3，计算结果及处理 （1） ，ABAQUS 多图显示功能反应碰撞后两种桥墩的变形情况 图 1，圆柱形桥墩碰撞前后对比图 图 2，矩形桥墩碰撞前后对比图 从上面的多图显示可以较明显的看出，圆形截面桥墩整体在碰撞前后的变形小于矩形截面桥墩。 （2） ，从被迫产生的具体位移方面比较 图 3，承台位移和墩顶中点位移比较 从图 3，可以看出，在整个碰撞过程中矩形墩产生的位移，不论是承台位移还是墩顶位移都是圆形墩的 2 倍多。 （3） ，下面以图表的形式进行应力的比较 图

6、4，碰撞过程最大应力比较 从图 4，可以看出，刮擦碰撞开始后桥墩受到的应力迅速达到峰值，此时圆柱形桥墩所承受的应力是矩形桥墩受到的应力的将近 3 倍；此后圆形桥墩受到的应力迅速降到最低，但是，矩形桥墩一直受到略小于峰值应力的周期波动的应力作用。 （4） ，从能量损耗方面比较 图 5，塑性耗散能比较 由图 5，从塑性变形损耗的能量可以看出，碰撞过程的塑性能损失；矩形桥墩造成的能量损失是圆形桥墩的 2.6 倍。 （5） ，从墩体受损情况比较 图 6，圆柱形桥墩受损情况 图 7，矩形桥墩受损情况 从图 6 可以看出圆柱墩在碰撞过程中混凝土局部脱落，未见明显的钢筋外露，墩体相对完好；从图 7 可以明显

7、的看到矩形墩体碰撞过后，内部钢筋外露，扭曲较为严重，墩体相对较差。 综上：从图 4 应力比较可以看出，碰撞开始时，圆柱形桥墩承受了相当于矩形桥墩遭受的 3 倍船撞力作用，最有可能产生剪切破坏，先于同等情形下的矩形桥墩而破坏；但是如果圆形桥墩抗住了第一波冲击，它就可能弹开撞击船，因而可以避免像矩形桥墩那样一直承受峰值应力附近的周期荷载作用。从图 3 ,图 5 可以很明显的看到，矩形桥墩在反复荷载作用下，产生了较大的塑性变形和位移，这样的塑性变形和位移，则可能是桥墩断裂倒塌的根本原因。再从图 6 和图 7 读者可以看到圆形桥墩在遭受刮擦撞击情况下，保护内部钢筋的能力优于矩形桥墩。所以，笔者认为，综

8、合比较圆形桥墩较矩形桥墩要好一些。当然，由于文中船模质量较大，很可能一开始，两种桥墩就已经发生破坏；但是，此文仅做对比分析，故有瑕疵之处，还请谅解。 参考文献： 1 刘建成,顾永宁,胡志强.桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤分析.公路.2002（10）：33-41. 2 颜海泉.桥梁船撞有限元仿真分析D.上海：同济大学硕士学位, 2004. 3 梁文娟,金允龙,陈高增.船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞.第十四届全国桥梁学术会议论文集, 2000. 4 陈芳芳,谢颂诗.基于推倒分析的圆形与矩形截面形式桥墩的对比研究J.兰州交通大学学报.2008,27（4）：41-43. 5 Zhang S. The Mechanics of Ship Collisions. PH. D. Thesis. Department of Naval Architecture and Offshore Engineering, Technical University of Denmark. Lyngby,1999. 6 胡时胜,王道荣.冲击荷载下混凝土材料的动态本构关系M.爆炸与冲击.2002,22（3）:242-246.