1.工程概況
本文結(jié)合重慶忠縣長(zhǎng)江大橋進(jìn)行船舶撞擊橋梁的撞擊力的設(shè)計(jì)。忠縣長(zhǎng)江大橋位于滬蓉國(guó)道主干線上，距離忠縣縣城上游大約8km處，距宜昌航道428.8km，采用設(shè)計(jì)車速為80km/h的高速公路的標(biāo)準(zhǔn)。忠縣長(zhǎng)江大橋主橋采用205m+460m+205m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的結(jié)構(gòu)型式。石柱岸則采用了112m+200m+112m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)作為主引橋。下水的船舶從主橋460m的中跨通過，但是下水的船舶更容易碰撞9#墩，即主橋往湖北利川方向與引橋相接的墩，本文僅以此墩為例分析碰撞力。
1.1主橋設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
主梁為整體開口梁板式斷面，索塔橫梁為箱型斷面，塔墩為帶分水尖的單箱8室等截面空心薄壁墩。承臺(tái)為圓形承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)置19根直徑為3m的鉆孔樁。
1.2過渡墩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
為了增強(qiáng)過渡墩的防撞能力，依據(jù)船撞力對(duì)過渡墩墩身進(jìn)行設(shè)計(jì)。墩身做成帶分水尖的單箱5室整體式空心薄壁墩。承臺(tái)的外輪廓尺寸為31.8m(長(zhǎng))×12.5m(寬)x6m(高)，設(shè)圓形倒角，其下設(shè)置8根直徑為3m的鉆孔樁，9#墩樁長(zhǎng)為42m。
大橋位于三峽水庫(kù)的上游，在三峽水庫(kù)蓄滿前的船舶通航水位為低通航水位(通航水位標(biāo)高為144.2m)，水庫(kù)蓄滿后的滿庫(kù)水位為高通航水位(通航水位標(biāo)高為174.7m)。其所處地理位置使船舶通過大橋時(shí)，9#墩(石柱岸過渡墩)被撞的風(fēng)險(xiǎn)最大，所以取5000DWT散貨船作為設(shè)計(jì)船舶。該船舶長(zhǎng)109m，型寬18m，型高7.7m，吃水5m，船的初速度為3.5m/s。
2.船舶撞擊橋梁仿真計(jì)算方法
本文以忠縣長(zhǎng)江大橋?yàn)槔＝柚谟邢拊浖嗀NSYSLS—DYNA，比較精細(xì)地模擬了船舶與橋墩防撞系統(tǒng)碰撞的內(nèi)部動(dòng)態(tài)過程，并對(duì)撞擊力和能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析研究。
2.1橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型
對(duì)9#橋墩的耐撞性進(jìn)行的重點(diǎn)研究中，其模型的建立是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在保證計(jì)算效率的前提下，要盡量細(xì)致地對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。根據(jù)橋址處的地質(zhì)情況，主塔和過渡墩的樁基礎(chǔ)嵌固在巖層中，模型中將樁基礎(chǔ)深入巖層的部分自由度全部固定。過渡墩采用體單元?jiǎng)澐?，主梁使用梁?jiǎn)卧M，斜拉索用桁架單元?；炷敛牧厦芏葹?600kg/m，泊松比為0.167，彈性模量為3.3e+10Pa，將混凝土作為線彈性單元進(jìn)行分析。
2.2船舶計(jì)算有限元模型
對(duì)碰撞區(qū)船艏結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型作 了比較精細(xì)的描述，船體中后部因遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)，實(shí)際上發(fā)生的變形較小?？梢院雎?，僅提供剛度和質(zhì)量的影響因此用剛性板簡(jiǎn)化模擬船體后部結(jié)構(gòu)。形成整船計(jì)算模型，全部質(zhì)量分布于船身及船頭的各單元，重心位于總剖面上，船體材料采用線性強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系。船舶采用鋼結(jié)構(gòu)，密度為7800kg/m，泊松比為0.3，彈性模量為2.1e+11Pa，屈服強(qiáng)度為2.35e+8Pa，硬化模量為2.1e+8Pa，失效應(yīng)變0.35。圖1所示為船與橋墩碰撞示意圖。
應(yīng)變速率對(duì)于材料屈服強(qiáng)度的影響，可以采用Cowper—Symonds的本構(gòu)關(guān)系來描述，即：
對(duì)于船用低碳鋼，D=40.4，q=5。
3.仿真結(jié)果及其分析
為了對(duì)碰撞的計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)果有一個(gè)較全面的了解，本文著重從船和橋墩的變形、應(yīng)變應(yīng)力、吸能情況等幾個(gè)方面來對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用大型非線性有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析程序ANSYS/LS—DYNA對(duì)2.2節(jié)中所建立的碰撞模型進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。
3.1高通航水位情況
高通航水位情況下，船舶撞擊9#橋墩。撞擊速度為3.5m/s，計(jì)算結(jié)果見圖2～圖5。
從這些圖中可以看出。高通航水位碰撞力峰值為26.63MN。整個(gè)撞擊過程從0.63s 開始，隨著時(shí)間的變化，碰撞力迅速增加，與此同時(shí)，船頭的構(gòu)件發(fā)生變形，消耗著船舶的內(nèi)能，使船舶速度減小，隨著變形的增大，一部分構(gòu)件在碰撞過程中將會(huì)失效，退出碰撞，但由于速度的作用，后面的構(gòu)件將會(huì)上來繼續(xù)參與碰撞。因此整個(gè)碰撞過程中力的曲線并不是一條光滑的曲線，最后船舶會(huì)獲得一個(gè)反向的微小速度退開，碰撞力迅速衰減為0，船舶與橋墩分開。圖中船舶的撞深與船舶的速度變化很一致，整個(gè)過程中，船舶的動(dòng)能被消耗，轉(zhuǎn)化為船舶的內(nèi)能。
3.2低通航水位情況
低通航水位情況下，船舶撞擊9#橋墩，撞擊速度為3.5m/s，計(jì)算結(jié)果見圖6～圖9。
從圖中可以看出，船舶以低通航水位撞擊橋墩的撞擊力峰值為20.95MN。整個(gè)撞擊過程，從0.21s開始。從圖中看到，碰撞力、能量等的變化規(guī)律與3.1節(jié)中結(jié)果相同。
通過高低水位碰撞力和能量對(duì)比得出，高水位撞擊時(shí)橋墩的撞擊力比低水位時(shí)大，由于撞擊部位的不同，高水位更加危險(xiǎn)，需做防撞設(shè)施。
4.船撞力公式計(jì)算值
船撞力理論計(jì)算與數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表1。
根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果。數(shù)值計(jì)算的最大船撞力為17.58MN～35.78MN，修正沃辛公式和公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范計(jì)算得到的數(shù)值最為接近。而我國(guó)公路橋梁規(guī)范規(guī)定的船撞力偏小。數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與以美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范或鐵路橋梁規(guī)范公式的修正公式為依據(jù)進(jìn)行船撞力計(jì)算的結(jié)果最為接近，可以滿足工程的需要。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，橫橋向的船撞力與船撞力合力較為接近。根據(jù)規(guī)范比較后。順橋向可按照橫橋向的0.5倍計(jì)算。
5.結(jié)論及建議
本文通過研究船舶在不同通航水位情況下對(duì)橋墩的船撞力，得出隨著水位上升船舶對(duì)橋梁撞擊的危險(xiǎn)性程度逐漸增加的結(jié)論。同時(shí)給出了理論分析與數(shù)值仿真分析的比較結(jié)果，分析了理論與仿真計(jì)算之間的關(guān)系，確定出與仿真計(jì)算接近的分析計(jì)算理論。最后建議對(duì)9#墩設(shè)置防撞裝置。
