桥梁防护装置首段结构的改进

点赞:23237 浏览:106370 近期更新时间:2024-01-19 作者:网友分享原创网站原创

摘 要文章对原有桥梁防护装置首段结构进行改进,利用非线性动力学有限元软件MSC.Dytran对桥梁在船舶冲击荷载作用下的防护问题进行了数值仿真研究,建立了船桥碰撞有限元模型,分析了碰撞过程中碰撞力变化、能量转换及结构损伤变形情况,并对改进前与改进后的结构进行了比较.

【关 键 词】船桥碰撞防护装置数值仿真

桥梁防护装置基本要求为对碰撞的船舶能量进行消能缓冲,使船舶不能直接撞击桥墩,或使船舶碰撞力控制在安全范围内.防撞设施不能影响船舶的通航,占用航道范围尽量小.防撞设施制造、安装、维修经济方便,经久耐用、功能可靠.为了达到上述目的,不少学者对钢套箱结构进行了优化和改进.其中,武汉理工大学的研究生罗容通过将套箱中的普通型材换为金属薄壁圆管,以改善结构的耐撞性,而且由于圆管易于制造成本低廉,可直接降低工程预算.本文仅从垂向添加吸能单元方面对防护装置的耐撞性能进行研究.

从“船桥碰撞桥梁防护装置的研究”一文仿真计算结果可知:对于本文中的防护装置,由其能量曲线可知外板变形最大,而其吸收能量次之,并且防护装置损伤变形主要集中在受撞击区域.这预示着防护装置的抗撞能力的提高应着眼于易受撞击薄弱区域,大范围的结构增强是不必要的.

综上考虑,本文采用泡沫的结构作为吸能元件垂直布置于外板表面,以提高外板的耐撞性降低撞深.可以在最大碰撞力允许范围内对原防护装置添加吸能元件,提高其能量吸收的能力.

本文将改进后的防护装置应用在桥墩的部分,借助非线性有限元程序MSC.Patran和MSC.Dytran软件,用一艘5000吨级油船,以8m/s的速度,与改进的防护装置发生正向垂直碰撞进行动态仿真模拟.通过对碰撞中吸能装置的整个作用过程的力学再现,与原钢结构防护装置进行比较,分析改进的防护装置的耐撞性能.

1结构碰撞模型描述

分别采用泡沫的结构垂向布置于防护装置的外板外侧.方管尺寸为400x400mm.方管间距控制在1.5m.

防护装置有关数据如下:

材料密度ρ等于7.8x103kg/m3;

弹性模量E等于2.1x1011N/m2;

硬化模量Eh等于1.18x109N/m2;

屈服应力σy等于2.35x108N/m2;

泊松比0.3;

最大塑性失效应变0.34.

Cowper-Symonds本构方程中两个材料常数取为D等于40.4,q等于5.泡沫塑料采用工业包装中使用的普通低密度塑料,密度为1500Kg/m3,弹性模量(E芯)6500MPa,泊松比(v芯)0.5.

应力与应变的关系曲线可根据现有实验数据输入.见图1:

图1:应力-应变曲线

有限元模型中,泡沫塑料采用8节点六面体单元,其他结构均采用四边形壳单元,方管与泡沫塑料共用节点,以保证其变形协调.桥梁承台周围设计的防护装置结构见图2,改进后结构有限元模型见图3.

2仿真计算结果分析

质量为5000t的刚性撞头以8m/s的速度与改进后桥梁防护装置发生正面垂直碰撞,以撞击动能损失98%的时刻为碰撞结束时刻,整个过程持续1.5s.

2.1碰撞力分析

图4是碰撞过程中碰撞力的时序曲线.可以看出,改进后防撞结构的的碰撞力在碰撞初期比原结构有所增加,这主要是由于方管的添加增大了外板的刚度.最大碰撞力出现在1.3s时,约为22MN,随后碰撞力迅速下降.改进后结构由于碰撞中失效构件增多,碰撞力曲线的较原结构非线性波动性更强.

2.2结构损伤变形

图5为撞深与时间关系曲线.图6为垂向添加防护装置在碰撞结束时刻的损伤变形图.可以看到,与原结构相比,改进后结构的撞深有明显的下降.这主要是由于方管内填泡沫结构作为吸能元件有效的增大了防护装置外板的能量吸收能力.因此,该结构对限制撞深,增大防护装置的利用率起到了很好的效果.


从图6中可以看到,变形的方管主要集中于刚性撞头碰撞区域,其他区域变形较小,这一点也可以从防护装置的碰撞应力分布云图中清楚的看到.因此主要从撞击变形大的区域进行加强,进而增大防撞设施的耐撞能力.

2.3能量吸收

图9为碰撞开始到1.5s过程中船舶(刚性球)动能随时间的变化曲线.可以看出,在碰撞初期改进后防护装置吸收的能量较原结构增加了13%.这表明内填泡沫的方管结构参加了能量吸收,有效的改善了外板的吸能能力.

图10给出了碰撞过程中各构件的能量变化曲线.从图中可以看到,泡沫变形吸收的能量非常有限,它所起的作用不是作为吸能构件,而是改进方管的吸能特性.表1给出了各构件能量吸收情况.

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通过表1可以发现,横舱壁和甲板所吸收的能量占整个结构所吸收的总能量的85%.同时结合图10,不难发现,在1.0s前,上下甲板所吸收的能量占整个装置的70~80%,这跟“船桥碰撞桥梁防护装置的研究”一文所得出的结论一致,在后半秒钟的变化,主要是甲板已经失去抵御结构变形的能力,主要受到迎撞体横舱壁以及纵舱壁的影响,故出现横舱壁变形增大的情形.泡沫虽然吸收的能量不多,但是改善周围结构(横舱壁和甲板)吸收能量的特性.

2.4与原有模型比较

可以看出改进后的防护装置对整个结构的能量吸收起到了一定作用.此结构除了自身吸收一部分能量,同时也增加对整个防护装置的上下甲板以及横纵舱壁的吸能作用,进而提高了整个结构的吸能.因此可以推断此防护装置的结构参数、材料参数以及外部的碰撞参数对结构的耐撞性能都会有影响.

3结论

防护装置是目前桥梁应对船舶冲击荷载的主要结构形式,因此合理的对套箱结构进行改进以提高其抗冲击能力是很有必要的.

本文通过在原结构外板上设置纵向泡沫作为吸能元件对原结构进行了改进.通过数值仿真计算得出以下结论:

(1)改进后结构一定程度上减少了最大碰撞力.

(2)改进后结构提高了外板的吸能能力,达到的降低撞深的目的.其中甲板和横舱壁吸收的能量占较大比例.

(3)采用内填泡沫塑料薄壁方管作为吸能元件的设计,是利用金属元件构建防撞装置的成功应用,同时也证明了内填泡沫确实能改变金属杆件的塑性力学性能.泡沫虽然吸收的能量不多,但是改善周围结构(横舱壁、甲板)吸收能量的特性.

(4)添加方管吸能元件可以降低防护装置的撞深,但是未能有效的利用原结构,提高的碰撞性能不是太明显,可以适量改良防护装置的结构,进而提高整体结构的耐撞性能.