樁土相互作用模型對(duì)船橋碰撞的影響

樁土相互作用模型對(duì)船橋碰撞的影響

通過簡(jiǎn)化橋梁樁的基礎(chǔ)和土壤的相互作用，簡(jiǎn)化橋梁的模擬應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近些年來,得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展,有限元法為船橋碰撞問題提供了有效并可靠的分析途徑。樁土相互作用數(shù)值模擬方法大致歸為三類:等效樁徑法、p-y彈簧法和接觸單元法。1材料結(jié)構(gòu)模型1.1損傷累積模型本文中望東長(zhǎng)江大橋望江側(cè)橋梁主塔、承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)混凝土,均選取Holmquist-Johnson-Cook率相關(guān)損傷累積模型(簡(jiǎn)稱HJC模型)1.2船部分的彈性本構(gòu)模型船舶撞擊橋墩時(shí),船體發(fā)生塑性變形的區(qū)域局限在船艏部分,采用線性強(qiáng)化彈塑性材料本構(gòu)模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)1.3拉屈服強(qiáng)度顆粒狀材料受剪時(shí),顆粒會(huì)膨脹,且其受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度;巖石、混凝土和土壤等材料等都是顆粒狀材料的典型代表,本文中土體材料采用Drucker-Prager材料模型1.4混凝土和土壤損傷模擬本文在材料本構(gòu)關(guān)系中以*MAT-ADD-ERO-SION侵蝕失效準(zhǔn)則2計(jì)算值的模型2.1元?jiǎng)澐志W(wǎng)格劃分對(duì)大橋望江側(cè)主塔精確建模后,整塔采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,共計(jì)136220個(gè)單元;碰撞區(qū)域如承臺(tái)、群樁基礎(chǔ)上端網(wǎng)格尺寸較小,0.2~0.5m,遠(yuǎn)離碰撞部位網(wǎng)格較大,為1m。2.2船舶的有限模型本文采用載重量10000t級(jí)船舶進(jìn)行碰撞計(jì)算,將整船模型劃分為三個(gè)部分,即船艏外板、船艏其他構(gòu)件、船體中后部2.3土體模型的建立望江側(cè)承臺(tái)下設(shè)32根直徑3.0m的鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設(shè)計(jì),長(zhǎng)42m。群樁基礎(chǔ)的排列形式如圖1所示。(1)等效樁徑法。等效樁徑法(3)有限元土體模型。本文在望江側(cè)主塔下群樁基礎(chǔ)周圍劃分出一部分區(qū)域建立單層粉細(xì)砂土體模型,土體平面尺寸為對(duì)應(yīng)承臺(tái)長(zhǎng)和寬的兩倍;豎向尺寸取平均水平面距離樁底嵌固端的長(zhǎng)度;樁基與土體底端采用固定邊界,樁土之間通過定義侵徹面面接觸來計(jì)算樁土相互作用;局部土體四周采用LS-DY-NA中的無反射邊界(Non-ReflectingBoundary)條件2.4船橋樁-土相互作用本文擬用10000t帶球鼻艏船舶于3.8m水位線處,以5m/s的速度正向撞擊橋梁望江側(cè)主塔承臺(tái),并分別用以上三種方法考慮船橋碰撞過程中的樁-土相互作用,分別是(1)等效樁徑法,取3倍、5倍、8倍樁徑長(zhǎng)度的嵌固端深度,分別稱為“三倍樁徑法”“五倍樁徑法”“八倍樁徑法”。(2)p-y彈簧法,分未計(jì)入群樁效應(yīng)與計(jì)入群樁效應(yīng)兩種。(3)有限域土體模型。其中,采用有限域土體模擬樁土相互作用時(shí),船撞主塔的有限元模型如圖2所示。3結(jié)果分析3.1“非線性”碰撞過程、訴訟過程和船事故碰撞時(shí)不同嵌固端深度計(jì)算得到的撞擊力-時(shí)間歷程變化曲線如圖3所示。在三種群樁基礎(chǔ)嵌固端深度情況下,船舶與橋梁主塔的撞擊力隨時(shí)間歷程變化曲線基本一致,波動(dòng)很大,由此表明整個(gè)碰撞過程是非線性的,碰撞曲線出現(xiàn)很大波動(dòng)的原因是碰撞過程中不斷有部件發(fā)生失效或破壞。撞擊力由零到最大值期間,有幾次較大的波動(dòng),說明經(jīng)歷了幾次較大的卸載,船頭內(nèi)部有一些較大的構(gòu)建在碰撞過程中被破壞或者失效。將不同嵌固端深度與各種船橋碰撞力計(jì)算公式計(jì)算得到的船撞力相比較,見表1?？梢?當(dāng)嵌固端深度為三倍樁徑時(shí),有限元模擬船橋撞擊力結(jié)果偏大,有失準(zhǔn)確。3.2p-y曲線乘數(shù)3.3計(jì)算結(jié)果和破壞三種樁土相互作用的撞擊力-時(shí)間歷程變化曲線如圖5所示。船舶與橋梁主塔的撞擊力隨時(shí)間歷程變化曲線波動(dòng)劇烈,由此表明整個(gè)碰撞過程是非線性的,碰撞曲線出現(xiàn)很大波動(dòng)的原因是碰撞過程中不斷有部件發(fā)生失效或破壞。碰撞開始后,隨著碰撞的進(jìn)行,碰撞力不斷增大。在8倍樁徑嵌固端模型達(dá)到碰撞力最大值后,p-y彈簧模型與土體模型才先后出現(xiàn)碰撞力峰值。并且,在8倍嵌固端模型碰撞結(jié)束之后,p-y彈簧模型與土體模型的碰撞過程仍在進(jìn)行,船艏仍有較大的破壞,這也解釋了p-y彈簧模型與土體模型中船艏最大撞深與8倍樁徑嵌固端模型相比較大的原因。本模型中,當(dāng)船舶于3.8m水位線處撞擊橋梁主塔時(shí),船舶船艏與主塔承臺(tái)全接觸,可發(fā)現(xiàn),各樁土相互作用有限元模型計(jì)算得到的船撞擊力與AASHTO規(guī)范、IABSE規(guī)范、EUROCODE規(guī)范計(jì)算得到的船撞力數(shù)值較為接近,而與其他規(guī)范相差較大。4種樁土相互作用模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比本文以安徽省望東長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?采用了“固定端”模型、p-y彈簧模型和有限域土體模型來模擬樁土間相互作用。在這三種模型基礎(chǔ)上,精確建立10000t帶球鼻艏船舶與望江側(cè)主塔有限元模型,借助LS-DYNA軟件對(duì)船橋碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。(1)“嵌固端”模型,概念簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,其分析精度取決于假定的嵌固深度。當(dāng)群樁基礎(chǔ)于不同深度固結(jié)時(shí),有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)撞擊過程中的能量、船艏撞深影響不大,但對(duì)船橋碰撞力影響突出;“三倍樁徑法”的有限元模擬計(jì)算結(jié)果中船橋碰撞力峰值明顯偏大。(3)三種樁土相互作用模型的有限元計(jì)算結(jié)果顯示,無論是船橋碰撞過程中的撞擊力、還是船艏撞深,p-y彈簧模型與有限域土體模型更為吻合,而與“嵌固端”模型差異更大。但是各種模型的計(jì)算結(jié)果差別并不大,說明為減少建模工作量,節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在一定的精度范圍內(nèi),“嵌固端”模型足以替代p-y彈簧模型和有限域土體模型,模擬船橋碰撞過程中的動(dòng)力變化。(4)大部分的實(shí)用方法估計(jì)出的船撞力較動(dòng)力計(jì)算方法要大,而我國(guó)的公路和鐵路規(guī)范都較動(dòng)力計(jì)算結(jié)果偏小較多,如果按該規(guī)范設(shè)計(jì)可能會(huì)給結(jié)構(gòu)留下不安全的隱患。AASHTO規(guī)范計(jì)算值略高于有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,所以可認(rèn)為AASHTO規(guī)范可以用于千米級(jí)斜拉橋的船撞力確定和防撞設(shè)計(jì)。(2)p-y彈簧法。根據(jù)群樁基礎(chǔ)附近的地理物質(zhì)條件,取樁周土體粉細(xì)砂的重度γ=10kN/m由圖4可以看出:采用p-y乘子法,并不能很好地體現(xiàn)出群樁效應(yīng)在有限元模擬計(jì)算中對(duì)樁土相互作用的影響。將由這三種樁土相互