樁土相互作用模型對船橋碰撞的影響

通過簡化橋梁樁的基礎和土壤的相互作用，簡化橋梁的模擬應用具有重要的現實意義。近些年來,得益于計算機技術的飛躍發展,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材料結構模型1.1損傷累積模型本文中望東長江大橋望江側橋梁主塔、承臺及群樁基礎混凝土,均選取Holmquist-Johnson-Cook率相關損傷累積模型(簡稱HJC模型)1.2船部分的彈性本構模型船舶撞擊橋墩時,船體發生塑性變形的區域局限在船艏部分,采用線性強化彈塑性材料本構模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)1.3拉屈服強度顆粒狀材料受剪時,顆粒會膨脹,且其受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度;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關系中以*MAT-ADD-ERO-SION侵蝕失效準則2計算值的模型2.1元劃分網格劃分對大橋望江側主塔精確建模后,整塔采用六面體單元劃分網格,共計136220個單元;碰撞區域如承臺、群樁基礎上端網格尺寸較小,0.2~0.5m,遠離碰撞部位網格較大,為1m。2.2船舶的有限模型本文采用載重量10000t級船舶進行碰撞計算,將整船模型劃分為三個部分,即船艏外板、船艏其他構件、船體中后部2.3土體模型的建立望江側承臺下設32根直徑3.0m的鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設計,長42m。群樁基礎的排列形式如圖1所示。(1)等效樁徑法。等效樁徑法(3)有限元土體模型。本文在望江側主塔下群樁基礎周圍劃分出一部分區域建立單層粉細砂土體模型,土體平面尺寸為對應承臺長和寬的兩倍;豎向尺寸取平均水平面距離樁底嵌固端的長度;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主塔承臺,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,分未計入群樁效應與計入群樁效應兩種。(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,船撞主塔的有限元模型如圖2所示。3結果分析3.1“非線性”碰撞過程、訴訟過程和船事故碰撞時不同嵌固端深度計算得到的撞擊力-時間歷程變化曲線如圖3所示。在三種群樁基礎嵌固端深度情況下,船舶與橋梁主塔的撞擊力隨時間歷程變化曲線基本一致,波動很大,由此表明整個碰撞過程是非線性的,碰撞曲線出現很大波動的原因是碰撞過程中不斷有部件發生失效或破壞。撞擊力由零到最大值期間,有幾次較大的波動,說明經歷了幾次較大的卸載,船頭內部有一些較大的構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算公式計算得到的船撞力相比較,見表1。可見,當嵌固端深度為三倍樁徑時,有限元模擬船橋撞擊力結果偏大,有失準確。3.2p-y曲線乘數3.3計算結果和破壞三種樁土相互作用的撞擊力-時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間歷程變化曲線波動劇烈,由此表明整個碰撞過程是非線性的,碰撞曲線出現很大波動的原因是碰撞過程中不斷有部件發生失效或破壞。碰撞開始后,隨著碰撞的進行,碰撞力不斷增大。在8倍樁徑嵌固端模型達到碰撞力最大值后,p-y彈簧模型與土體模型才先后出現碰撞力峰值。并且,在8倍嵌固端模型碰撞結束之后,p-y彈簧模型與土體模型的碰撞過程仍在進行,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,當船舶于3.8m水位線處撞擊橋梁主塔時,船舶船艏與主塔承臺全接觸,可發現,各樁土相互作用有限元模型計算得到的船撞擊力與AASHTO規范、IABSE規范、EUROCODE規范計算得到的船撞力數值較為接近,而與其他規范相差較大。4種樁土相互作用模型計算結果對比本文以安徽省望東長江大橋為工程背景,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。在這三種模型基礎上,精確建立10000t帶球鼻艏船舶與望江側主塔有限元模型,借助LS-DYNA軟件對船橋碰撞過程進行了數值模擬。(1)“嵌固端”模型,概念簡單,計算量小,其分析精度取決于假定的嵌固深度。當群樁基礎于不同深度固結時,有限元計算結果對撞擊過程中的能量、船艏撞深影響不大,但對船橋碰撞力影響突出;“三倍樁徑法”的有限元模擬計算結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算結果顯示,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。但是各種模型的計算結果差別并不大,說明為減少建模工作量,節省計算時間,在一定的精度范圍內,“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力變化。(4)大部分的實用方法估計出的船撞力較動力計算方法要大,而我國的公路和鐵路規范都較動力計算結果偏小較多,如果按該規范設計可能會給結構留下不安全的隱患。AASHTO規范計算值略高于有限元數值模擬計算結果,所以可認為AASHTO規范可以用于千米級斜拉橋的船撞力確定和防撞設計。(2)p-y彈簧法。根據群樁基礎附近的地理物質條件,取樁周土體粉細砂的重度γ=10kN/m由圖4可以看出:采用p-y乘子法,并不能很好地體現出群樁效應在有限元模擬計算中對樁土相互作用的影響。將由這三種樁土相互