桩土相互作用模型对船桥碰撞的影响

桩土相互作用模型对船桥碰撞的影响

通过简化桥梁桩的基础和土壤的相互作用，简化桥梁的模拟应用具有重要的现实意义。近些年来,得益于计算机技术的飞跃发展,有限元法为船桥碰撞问题提供了有效并可靠的分析途径。桩土相互作用数值模拟方法大致归为三类:等效桩径法、p-y弹簧法和接触单元法。1材料结构模型1.1损伤累积模型本文中望东长江大桥望江侧桥梁主塔、承台及群桩基础混凝土,均选取Holmquist-Johnson-Cook率相关损伤累积模型(简称HJC模型)1.2船部分的弹性本构模型船舶撞击桥墩时,船体发生塑性变形的区域局限在船艏部分,采用线性强化弹塑性材料本构模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)1.3拉屈服强度颗粒状材料受剪时,颗粒会膨胀,且其受压屈服强度远大于受拉屈服强度;岩石、混凝土和土壤等材料等都是颗粒状材料的典型代表,本文中土体材料采用Drucker-Prager材料模型1.4混凝土和土壤损伤模拟本文在材料本构关系中以*MAT-ADD-ERO-SION侵蚀失效准则2计算值的模型2.1元划分网格划分对大桥望江侧主塔精确建模后,整塔采用六面体单元划分网格,共计136220个单元;碰撞区域如承台、群桩基础上端网格尺寸较小,0.2~0.5m,远离碰撞部位网格较大,为1m。2.2船舶的有限模型本文采用载重量10000t级船舶进行碰撞计算,将整船模型划分为三个部分,即船艏外板、船艏其他构件、船体中后部2.3土体模型的建立望江侧承台下设32根直径3.0m的钻孔灌注桩,按嵌岩桩设计,长42m。群桩基础的排列形式如图1所示。(1)等效桩径法。等效桩径法(3)有限元土体模型。本文在望江侧主塔下群桩基础周围划分出一部分区域建立单层粉细砂土体模型,土体平面尺寸为对应承台长和宽的两倍;竖向尺寸取平均水平面距离桩底嵌固端的长度;桩基与土体底端采用固定边界,桩土之间通过定义侵彻面面接触来计算桩土相互作用;局部土体四周采用LS-DY-NA中的无反射边界(Non-ReflectingBoundary)条件2.4船桥桩-土相互作用本文拟用10000t带球鼻艏船舶于3.8m水位线处,以5m/s的速度正向撞击桥梁望江侧主塔承台,并分别用以上三种方法考虑船桥碰撞过程中的桩-土相互作用,分别是(1)等效桩径法,取3倍、5倍、8倍桩径长度的嵌固端深度,分别称为“三倍桩径法”“五倍桩径法”“八倍桩径法”。(2)p-y弹簧法,分未计入群桩效应与计入群桩效应两种。(3)有限域土体模型。其中,采用有限域土体模拟桩土相互作用时,船撞主塔的有限元模型如图2所示。3结果分析3.1“非线性”碰撞过程、诉讼过程和船事故碰撞时不同嵌固端深度计算得到的撞击力-时间历程变化曲线如图3所示。在三种群桩基础嵌固端深度情况下,船舶与桥梁主塔的撞击力随时间历程变化曲线基本一致,波动很大,由此表明整个碰撞过程是非线性的,碰撞曲线出现很大波动的原因是碰撞过程中不断有部件发生失效或破坏。撞击力由零到最大值期间,有几次较大的波动,说明经历了几次较大的卸载,船头内部有一些较大的构建在碰撞过程中被破坏或者失效。将不同嵌固端深度与各种船桥碰撞力计算公式计算得到的船撞力相比较,见表1。可见,当嵌固端深度为三倍桩径时,有限元模拟船桥撞击力结果偏大,有失准确。3.2p-y曲线乘数3.3计算结果和破坏三种桩土相互作用的撞击力-时间历程变化曲线如图5所示。船舶与桥梁主塔的撞击力随时间历程变化曲线波动剧烈,由此表明整个碰撞过程是非线性的,碰撞曲线出现很大波动的原因是碰撞过程中不断有部件发生失效或破坏。碰撞开始后,随着碰撞的进行,碰撞力不断增大。在8倍桩径嵌固端模型达到碰撞力最大值后,p-y弹簧模型与土体模型才先后出现碰撞力峰值。并且,在8倍嵌固端模型碰撞结束之后,p-y弹簧模型与土体模型的碰撞过程仍在进行,船艏仍有较大的破坏,这也解释了p-y弹簧模型与土体模型中船艏最大撞深与8倍桩径嵌固端模型相比较大的原因。本模型中,当船舶于3.8m水位线处撞击桥梁主塔时,船舶船艏与主塔承台全接触,可发现,各桩土相互作用有限元模型计算得到的船撞击力与AASHTO规范、IABSE规范、EUROCODE规范计算得到的船撞力数值较为接近,而与其他规范相差较大。4种桩土相互作用模型计算结果对比本文以安徽省望东长江大桥为工程背景,采用了“固定端”模型、p-y弹簧模型和有限域土体模型来模拟桩土间相互作用。在这三种模型基础上,精确建立10000t带球鼻艏船舶与望江侧主塔有限元模型,借助LS-DYNA软件对船桥碰撞过程进行了数值模拟。(1)“嵌固端”模型,概念简单,计算量小,其分析精度取决于假定的嵌固深度。当群桩基础于不同深度固结时,有限元计算结果对撞击过程中的能量、船艏撞深影响不大,但对船桥碰撞力影响突出;“三倍桩径法”的有限元模拟计算结果中船桥碰撞力峰值明显偏大。(3)三种桩土相互作用模型的有限元计算结果显示,无论是船桥碰撞过程中的撞击力、还是船艏撞深,p-y弹簧模型与有限域土体模型更为吻合,而与“嵌固端”模型差异更大。但是各种模型的计算结果差别并不大,说明为减少建模工作量,节省计算时间,在一定的精度范围内,“嵌固端”模型足以替代p-y弹簧模型和有限域土体模型,模拟船桥碰撞过程中的动力变化。(4)大部分的实用方法估计出的船撞力较动力计算方法要大,而我国的公路和铁路规范都较动力计算结果偏小较多,如果按该规范设计可能会给结构留下不安全的隐患。AASHTO规范计算值略高于有限元数值模拟计算结果,所以可认为AASHTO规范可以用于千米级斜拉桥的船撞力确定和防撞设计。(2)p-y弹簧法。根据群桩基础附近的地理物质条件,取桩周土体粉细砂的重度γ=10kN/m由图4可以看出:采用p-y乘子法,并不能很好地体现出群桩效应在有限元模拟计算中对桩土相互作用的影响。将由这三种桩土相互