萬州長江大橋船舶撞擊力有限元分析

文 傳 勇

(重慶市萬州長江公路大橋管理處,重慶 404025)

萬州長江大橋船舶撞擊力有限元分析

文 傳 勇

(重慶市萬州長江公路大橋管理處,重慶 404025)

隨著三峽庫區水位的提高,萬州長江大橋拱圈存在船舶撞擊的風險。結合萬州長江河段航運情況,選擇5種船型建立空間有限元仿真模型,對萬州長江大橋橋墩、拱圈的船舶撞擊作用進行了研究。結果表明：5 000 t船舶對大橋拱圈、橋墩的撞擊力最大、作用時間最長,橋墩相對于拱圈受船舶撞擊力的危害更嚴重；大橋拱圈、橋墩的極限側抗力分別為2 000，350 t,庫區175 m水位蓄水后,大橋拱圈、橋墩可承受極限撞擊船舶噸位分別為1 094，115 t。

橋梁工程；船舶撞擊力；安全運營；船撞風險；有限元分析

0 工程概況

萬州長江大橋位于萬州區上游黃牛孔處,是國道主干線(成都—上海)上跨越長江的一座特大公路橋梁。該橋1994年5月1日正式動工,1997年完工。該橋為勁性骨架鋼管混凝土下承式拱橋,橋長856.12 m,寬24 m,按正線高速公路四車道設計。橋拱凈跨420 m,橋面距江面高140 m。單孔跨江,無水下基礎,是世界最大跨徑的混凝土拱橋。主拱圈采用鋼管與勁性骨架組合的鋼筋混凝土箱形截面,采用纜索吊裝和懸臂扣掛的方法施工。

隨著三峽樞紐的運行,水庫運行水位逐年提高,特別是三峽樞紐正常運行后,水位在175.2 m時,該橋的部分拱圈及橋墩將被淹沒,成為水中建筑物。與此同時,由于水深較大,該橋存在被船舶撞擊的危險。萬州長江大橋存在3個特征通航水位,即175,155,145 m。在145 m時,萬州長江大橋對航道及行船沒有影響；而175，155 m時則有一定影響,存在船撞橋的可能。分析橋位斷面情況,可以確定在水位157.5 m以上,船舶才有撞擊橋梁的可能。為預測船舶撞擊橋梁的危險程度,以便采取預防措施,需要對船舶撞擊力進行預測[1-2]。

1 船舶撞擊力計算

1.1 參數選擇

根據萬州河段航運實際情況,考慮5種船型進行撞擊力計算[3],分別是：1 000 t機駁船、2 000 t機駁船、3 000 t機駁船；考慮到最近幾年庫區船舶大型化趨勢,選用了5 000 t級散貨船進行碰撞力計算；此外還考慮了1 668 kw+6×15 000 t的萬噸級船隊。

計算流速取為三峽成庫后175 m時的流速0.5 m/s,船舶碰撞與陸上結構碰撞相比較為特殊的是船舶周圍的介質—水對碰撞運動的影響不可忽略[4]。筆者的仿真計算對流體作用力的處理采用附加質量法。附連水質量系數取為1.15。

船舶速度分為兩種情況選取：第1種取為3.5 m/s,下行實際航速為4.0 m/s；第2種取為0,即為漂流情況,下行實際船速0.5 m/s。

筆者重點考慮船舶下行情況：一方面是下行船舶撞橋概率較高；另一方面是下行船舶撞橋的船速高、撞擊力大,后果相對嚴重。計算的主要船型及參數見表1。

表1 主要船型及計算參數Table 1 The main ship types and the calculation parameters

1.2 有限元計算

1.2.1 計算模型

由于計算船舶撞擊力公式眾多,計算結果差異也較大[5-8],為了能更好地預測船舶撞擊力,為此采用有限元方法,對輪船撞擊橋墩或主拱圈的情況進行了模擬計算分析。

有限元計算采用LS-DYNA顯式算法,該算法特點是：以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主,兼有隱式求解功能；適應大位移、大應變和大轉動性能問題,單元積分采用沙漏黏性阻尼以克服零能模式。

根據設計要求,計算采用內河航運常用的駁船模型,船舶考慮為梁板結構、外形尺寸同原型,選用覆蓋船的材料為鋼板,鋼板的厚度為10 mm,在船的高度方向上,船一周按間隔為2 m加梁的骨架,在船頭和船身之間加了一道鋼板,且在船頭縱向加了梁。船舶采用殼單元劃分,為了減小計算量,船頭單元尺寸較小,平均尺寸20 cm,而船尾在撞擊過程中變形極小,可以采用剛性單元,最大單元尺寸取120 cm,全船共劃分單元8 217個。其中鋼板的材料參數為：彈性模量200 GPa,泊松比0.3,屈服應力300 MPa。屈服后的切線模量2 GPa。橋墩采用六面體單元劃分,主要尺寸為豎向 50 cm長,截面尺寸為20 cm。在船舶撞擊部位,豎向尺寸加密,碰撞區最大豎向尺寸為20 cm,共約劃分75 713個單元。橋墩材料的彈性模量為51.25 GPa,泊松比為0.172 5。船舶撞擊橋墩模型見圖1,船舶撞擊拱圈模型見圖2。

圖1 船舶撞擊橋墩模型Fig.1 Model diagram of ship-pier collision

圖2 船舶撞擊拱圈模型Fig.2 Model diagram of ship-arch ring collision

1.2.2 邊界條件

本次計算的墩與主梁為簡支體系,主梁質量有限,并且受到支座的影響,在船-墩短時間的碰撞過程中,主梁提供的慣性約束非常有限。因此,橋墩頂端可以簡化為自由端。墩底為基巖,采用固結模式[9-10]。拱圈部分均采用實體單元進行模擬,兩端固結。

1.3 計算結果

計算主要考慮了船舶與橋墩或拱圈發生正碰的工況,計算撞擊速度為4 m/s。其計算結果如表2及圖3、圖4。

表2 最大船撞擊力Table 2 The maximum impact P/×104 kN

圖3 船撞力-時間變化曲線(船舶撞擊橋墩)Fig.3 Impact-time variation curve (ship-pier collision)

圖4 船撞力-時間變化曲線(船舶撞擊拱圈)Fig.4 Impact-time variation curve (ship-arch ring collision)

5 000 t船撞擊橋墩最大達到4.313×104kN,撞擊作用持續時間接近2 s。3 000 t船最大撞擊力達到3.111×104kN,撞擊力作用持續時間1.1 s。

當船撞擊拱圈時,其撞擊力小于撞擊橋墩的力,5 000 t船最大撞擊力為3.160×104kN,撞擊力作用持續時間3.2 s,3 000 t船最大為2.953×104kN,撞擊力作用持續時間1.5 s。2 000 t船最大為2.391×104kN,撞擊力作用持續時間0.66 s。2 000 t船最大為1.862×104kN,撞擊力作用持續時間0.36 s。

分析結果可知,主拱圈受到船舶縱向或橫向撞擊時,其縱向位移、豎向位移、橫向位移值均不大,且主拱圈大部分處于受壓狀態,并在彈性工作范圍,滿足安全性能要求。

2 計算結果比較分析及選擇

根據上述計算結果,將各公式及數模計算結果匯總如表3。

表3 船撞擊力計算成果比較Table 3 Comparison of the impact calculation results P/×104 kN

由表3可見,計算結果中,鐵路規范計算結果最小,公路規范次之,有限元簡化模型和沃辛公式計算結果最大,且沃辛公式計算結果與有限元結果最為接近。

美國規范計算結果居中,但可以看到撞擊力均在同一數量級。在取值方面,一方面考慮各規范的計算公式均屬于經驗公式,所依據的實測資料有限,存在一定的誤差；另一方面在利用有限元計算時,對船舶進行了簡化,如船板厚度、結構等不同,船舶撞擊力也會有所不同,這些都可能帶來一定的計算誤差。同時從有限元計算結果來看,船舶撞擊拱圈的力小于船舶撞擊橋墩的力,基本與美國規范計算結果相當。對于船隊,各公式(除美國規范外)均未考慮船隊由于撞擊時船隊散隊的影響,因此,計算結果均遠大于美國規范計算成果。根據現有研究成果分析,船隊撞擊力以美國規范計算成果較為合理。

綜合考慮,可采用美國規范的撞擊力計算成果,結果匯總見表4。

表4 選用的船撞擊力計算成果匯總Table 4 Summary of selected ship impact /×104 kN

注：按美國規范,桅桿撞擊力按照上部結構撞擊力的0.1倍取值。

由于拱圈是傾斜入水,輪船與其相撞時,可能的重疊區域較拱圈高度要高,偏于安全計,拱圈承受的撞擊力按船舶撞擊橋墩的撞擊力取用。

3 極限側抗力計算方法

極限側抗力的計算,考慮通過船撞荷載組合下橋梁整體的極限承載能力來確定。故荷載組合考慮為：1.2恒載+0.5(汽車+人群)+1.0船撞力,1.0恒載+0.5(汽車+人群)+1.0船撞力。計算方法為：將船撞荷載按照1 000 kN橫橋向撞擊力遞增的順序依次進行計算,直至撞擊荷載超過拱圈、橋墩極限承載能力。拱圈驗算部位考慮拱腳、1/4跨、拱頂和船撞部位,橋墩驗算部位考慮墩腳(撞擊側)、船撞部位、另一側墩腳。截面抗力驗算考慮雙向彎矩的影響(85規范未提供雙向彎矩作用下的截面抗力計算方法),計算方法及公式參考JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第5.3.12條的規定。拱圈極限側抗力的計算,假定拱圈處于加固后的完好狀態。經試算,175 m蓄水后,船舶撞擊拱圈情況下,拱圈的極限側抗力為：橫橋向20 000 kN。經計算,橋墩極限側抗力為3 500 kN。

4 可承受極限撞擊船舶噸位分析

根據計算結果,船舶噸位與撞擊力的關系如圖5。

由圖5可知,相應于拱圈極限側抗力20 000 kN時的船舶噸位為1 572 t,相應于交界橋墩極限側抗力3 500 kN時的船舶噸位為165 t?？紤]到有限元模型理論計算值較按美國規范公式的計算值大10%～25%,同時船舶自重一般占總噸位10%～15%。由于船舶撞擊橋梁不確定因素較多,為偏于安全計,建議本橋實際極限抗撞情況的船舶噸位可按如下考慮。

拱 圈：1 572÷1.25÷1.15=1 094 t。

交界墩：165÷1.25÷1.15=115 t。

圖5 船舶噸位與撞擊力的關系Fig.5 The ship's tonnage and impact relationship diagram

5 結 論

筆者通過有限元分析得到如下結論：

1)根據有限元分析結果可知,船舶噸位越大,對拱圈或者橋墩的撞擊力越大,并且作用持續時間越長。橋墩相對于拱圈而言,受相同噸位船舶撞擊所受到的撞擊力更大,但是由于拱圈的極限側抗力大于橋墩,拱圈極限抗撞情況的船舶噸位反而比橋墩極限抗撞情況的船舶噸位大；

2)從萬州長江大橋有限元模型的計算結果來看,各規范中美國規范的計算結果更為合理；

3)根據有限元計算結果,考慮萬州長江大橋可承受極限撞擊船舶噸位,大橋實際極限抗撞情況的船舶噸位可按照拱圈1 094 t、交界墩115 t考慮。

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Finite Element Analysis of Ship Collision Force of Wanzhou Yangtze River Bridge

WEN Chuanyong

(Management Department of Wanzhou Yangtze River Bridge in Chongqing, Chongqing 404025, P. R. China)

With the rising of water level at Three Gorges Reservoir Region, the arch ring of Wanzhou Yangtze River Bridge is in danger of ship impact. Based on the shipping condition of Wanzhou reach of Yangtze River, an analytical study on the ship impact on the piers and arch ring of the bridge was conducted by means of setting up spatial finite element model on five different types of ships. The result shows that 5 000 t ships exert the greater impact on the bridge piers and the arch ring for longer acting time with greater impact on the piers. The ultimate lateral resistance capacities of the piers and arch ring are respectively 2 000 t and 350 t.When the water level reaches 175 m in the reservoir area, the affordable ultimate ship impact on the arch ring and piers are respectively 1 094 t and 115 t.

bridge engineering; ship impact；safe operation；ship-bridge collision risk； finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.05

2015-01-12；

2015-02-25

文傳勇(1973—),男,重慶萬州人,工程師,主要從事大垮徑橋梁管理及養護技術方面的研究。E-mail：aganx@163.com。

U446.1

A

1674-0696(2016)02-017-04