波浪載荷作用下跨海大橋橋墩防撞結(jié)構(gòu)極限強度分析

沈洋

摘 要：隨著跨海大橋的不斷發(fā)展，主橋墩防撞裝置的設(shè)計和強度校核方法的研究越來越重要。本文以某跨海大橋的主橋墩防撞結(jié)構(gòu)為研究對象，通過SESAM軟件建立大橋防撞裝置結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)大橋海域海浪情況，采用直接計算法進行彈簧約束方法，在極限波浪作用下對該浮式防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)強度進行強度分析。針對原始方案的總體結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果進行研究，在原方案基礎(chǔ)上提出了三種加強方案;并對三種加強方案進行強度分析。通過結(jié)果分析，三種加強方案都能滿足結(jié)構(gòu)屈服強度設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞裝置;有限元分析;彈簧約束方法; 結(jié)構(gòu)強度分析

中圖分類號：U445.3? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0108-04

為了跨海大橋橋墩的船舶碰撞安全，設(shè)置了浮式防撞設(shè)施，由于是新型結(jié)構(gòu)物，目前沒有相應(yīng)的規(guī)范和標準進行借鑒設(shè)計。

孫旋[1]在北江航道白土大橋防撞設(shè)計中針對北江韶關(guān)至烏石航道整治工程中白土大橋的防撞，通過從防撞效果、對航道凈寬的影響、撞擊船舶損傷度、船舶撞擊對橋梁的損傷、日常維護費用、撞損后修復(fù)難度、消能緩沖效果、對船舶的保護能力、水文適應(yīng)性、施工難度和工程造價等方面對各防撞方案的比較確定設(shè)計方案，為類似航道整治工程上橋梁防撞設(shè)計提供參考。許高利[2]在灌河特大橋防撞箱安裝技術(shù)研究中采用的防撞設(shè)施為阻尼消能鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，防撞設(shè)施自身強度高、抗撞能力強，具有良好的社會經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。李才志[3]針對內(nèi)河跨航道橋梁水上防撞設(shè)施，對橋梁防撞體系、船撞力計算方法進行論述，結(jié)合內(nèi)河跨航道橋梁自身特點和最新防撞理念，對適合內(nèi)河跨航道橋梁的防撞方案和設(shè)施進行分析。結(jié)果表明： 適合內(nèi)河跨航道橋梁水上防撞的防撞設(shè)施主要有固定或浮式防撞裝置和樁基防撞墩兩種類型。孫振宇[4]針對連鹽鐵路灌河特大橋設(shè)置防撞設(shè)施的必要性和防撞問題的特點，提出了兩種防撞方案，通過非線性有限元碰撞計算對防撞設(shè)施進行分析。以往研究主要考慮船體與橋墩的碰撞，而防撞設(shè)備的波浪作用下的結(jié)構(gòu)強度研究較少;本文基于跨海大橋的防撞裝置在波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度分析和設(shè)計研究，為橋梁設(shè)計提供參考。

本文關(guān)注的跨海大橋橋墩由2個截面為矩形的立柱構(gòu)成，單個立柱長11.5m，寬8.65m;承臺下設(shè)2m高封底混凝土，樁基礎(chǔ)為36根直徑2.8m的灌注樁，樁頂部加設(shè)30m高的鋼護筒，樁長在70m以上。

1橋墩防撞設(shè)施方案

1.1 防撞設(shè)施構(gòu)型

針對大橋的主墩結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖1-圖2所示的防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)。

1.2 有限元建模

浮式防撞設(shè)施采用有限元法進行結(jié)構(gòu)強度校核，采用SESAM軟件的Genie模塊進行三維建模，要采用4節(jié)點四邊形單元和2節(jié)點梁單元建模，其中主要網(wǎng)格尺寸為0.8m;網(wǎng)格單元數(shù)為43150，節(jié)點個數(shù)為92022;圖3至圖4為防撞設(shè)施單模塊中各部分的結(jié)構(gòu)與單元網(wǎng)格示意圖。

圖5為防撞設(shè)施的水動力分析模型，主要單元位4節(jié)點四邊形單元，其單元個數(shù)為5683;設(shè)計吃水2.0m。分析過程中，考慮防撞墊的作用，防撞墊位置處采用彈簧約束，約束方向為X、Y和Z方向的平動，允許其轉(zhuǎn)動。

2分析工況及強度校核

2.1 環(huán)境條件設(shè)計

對防撞設(shè)施進行強度校核，不同工況下，采用直接計算法進行分析，在分析過程中，工況LC1為靜載荷，包括浮力和重力。每個工況都對應(yīng)一個波浪載荷工況。

針對波浪載荷，根據(jù)方鐘圣[5]編寫《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》，根據(jù)防撞結(jié)構(gòu)布置區(qū)域，選擇S1區(qū)域的環(huán)境條件。根據(jù)該區(qū)域內(nèi)發(fā)生概率最大的波浪取有義波高1.5m，最大波高3m;危險工況下有義波高取3.0m，最大波高6.0m。周期分析包括7.0s，7.5s，8.0s，8.5s，9.0s，9.5s;根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性取30度，45度，60度和90度。

2.2? 結(jié)構(gòu)強度分析

如圖6應(yīng)力云圖所示，防撞結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域應(yīng)力達到400Mpa，遠遠超過235Mpa的許用應(yīng)力，因此不滿足設(shè)計要求。為了降低高應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上本文提出了兩種局部加強方案。

3? 局部加強方案及強度校核

3.1? 加強方案

針對高應(yīng)力區(qū)域，采用內(nèi)部增加弧形肘板和端部圓弧結(jié)構(gòu)連接兩種方案進行加強，加強方案如圖7至圖8所示。

3.2 加強方案強度校核

兩種加強方案典型應(yīng)力云圖如圖9圖10所示。從表2中可以看出，在波高3米的三種周期條件下，在30度及60度浪向下最大Vonmises應(yīng)力均較原方案有顯著減小，其中外部圓弧方案為最優(yōu)。

4結(jié)論

本文依據(jù)某海域的波浪統(tǒng)計結(jié)果，選擇該區(qū)域內(nèi)發(fā)生概率最大的波浪條件，分析了浮式防撞設(shè)施的總體結(jié)構(gòu)強度，并針對高應(yīng)力區(qū)域進行了兩種加強方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過結(jié)構(gòu)強度的分析研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）兩種加強方案中，90度浪向時的三種周期條件下，最大屈服應(yīng)力較為接近。而外部圓弧加強方案相較于其他方案在30度及60度浪向下Vonmise應(yīng)力顯著降低。

（2）針對極限波浪載荷，僅考慮極限載荷作用時，材料強度利用率外板中間部分為60%，端部為30%，而未考慮結(jié)構(gòu)疲勞和船舶碰撞等影響因素。

參考文獻：

[1]孫旋，饒西平.北江航道白土大橋防撞設(shè)計[J].公路與汽運，2016（02）：168-171.

[2]許高利.灌河特大橋防撞套箱安裝技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（12）：64-68.

[3]李才志，付歐陽.上海內(nèi)河跨航道橋梁防撞設(shè)施分析[J].水運工程，2017（11）：141-145.

[4]孫振宇.新建連鹽鐵路灌河特大橋防撞設(shè)施設(shè)計與分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（01）：40-42+53.

[5]方鐘圣.《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》與其他圖冊資料的比較[J].中國海洋平臺，1997（01）：31-34+4-5.