广州沥心沙大桥复合防撞装置抗撞性能分析.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();中铁二十局创新科研项目(Y F Q L B,Y F Q L C)P r o j e c to fN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a();I n n o v a t i v eR e s e a r c hP r o j e c t so fC h i n aR a i l w
2、a y t hB u r e a uG r o u pC o r p o r a t i o nL i m i t e d(Y F Q L B,Y F Q L C)作者简介:田怀念,高级工程师,E m a i l:q q c o m.研究方向:桥梁工程.文章编号:()D O I:/j i s s n 广州沥心沙大桥复合防撞装置抗撞性能分析田怀念(中国铁建华中区域总部苏南指挥部,江苏 苏州 )摘要:广州沥心沙大桥主桥为()m T形刚构桥,由于发展需要,将该桥跨越的航道等级由级提升至级(通行 DWT船舶).为提高该桥的防撞能力,提出采用一种固定式波折钢板钢覆复合防撞装置.该装置主要由钢面板、波折钢
3、板、聚氨酯芯材、G F R P防护层和方形橡胶垫块构成.为分析船舶撞击下该装置的耗能能力和防护性能,以主桥 号墩的防撞设计为背景,将该装置设置在承台,采用有限元软件L S D YNA建立船复合防撞装置桥的碰撞模型,进行船桥碰撞动力计算分析,研究船艏、复合防撞装置及承台损伤情况.结果表明:设置复合防撞装置后,桥梁结构响应明显减小;钢面板是主要的耗能构件,发挥出良好的缓冲吸能作用;在受到船艏碰撞时,仅复合防撞装置迎撞面产生较大变形,船艏发生轻微变形,而承台及桥墩未发生大的变形,混凝土保持完好.该复合防撞装置生产、安装工艺简单,运营维护方便,具有较好的经济性和适用性.关键词:刚构桥;波折钢板钢覆复合
4、防撞装置;船桥碰撞;撞击力;耗能能力;损伤;有限元法中图分类号:U ;U 文献标志码:AA n a l y s i so fC o l l i s i o nP r o t e c t i o nP e r f o r m a n c eo fC o m p o s i t eA n t i C o l l i s i o nD e v i c e s f o rL i x i n s h aB r i d g e i nG u a n g z h o uT I A NH u a i n i a n(C h i n aR a i l w a yC o n s t r u c t i o nC
5、o r p o r a t i o nC e n t r a lC h i n aR e g i o n a lH e a d q u a r t e r sS o u t h e r nJ i a n g s uH e a d q u a r t e r s,S u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h em a i nb r i d g eo fL i x i n s h aB r i d g e i nG u a n g z h o ui saTr i g i d f r a m eb r i d g ew i t ham a i ns p a n
6、o f ma n dt w os i d es p a n so f m T oa c c o mm o d a t e l o c a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t,t h en a v i g a t i o nc h a n n e l b e l o wt h eb r i d g eh a sb e e nu p g r a d e d f r o mG r a d et oG r a d e(a v a i l a b l e f o r t h e DWTs h i p s)T h eb r i d g eh a sb e e ne
7、 q u i p p e dw i t hat y p eo ff i x e dc o m p o s i t ea n t i c o l l i s i o nd e v i c e st op r o v i d eb e t t e rc o l l i s i o n p r o t e c t i o n T h ed e v i c e m a i n l yc o n s i s t so fs t e e lc l a d d i n g,c o r r u g a t e ds t e e lp l a t e s,p o l y u r e t h a n ec o r
8、 e,G F R Pp r o t e c t i o nc o v e ra n ds q u a r er u b b e rb l o c k s B a s e do nt h ep i e rN o ,af i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sd e v e l o p e di nL S D YNAt os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no ft h es h i p,c o m p o s i t ea n t i c o l l i s i o nd e v i c ea n dt h eb r
9、 i d g e,a i m i n gt oa n a l y z et h ee n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t ya n dp r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo f t h ed e v i c ed u r i n gac o l l i s i o ne v e n t T h ei m p a c t f o r c e so nt h eb r i d g ew e r e c a l c u l a t e d t o f i g u r eo u t t h e l i k
10、e l yd a m a g e s i n t h eb o w,c o m p o s i t ea n t i c o l l i s i o nd e v i c ea n dp i l ec a p I t i ss h o w nt h a ta f t e re q u i p p e dw i t ht h ec o m p o s i t ea n t i c o l l i s i o nd e v i c e,t h er e s p o n s e so ft h eb r i d g ea r es i g n i f i c a n t l yw e a k e n
11、 e d T h es t e e lc l a d d i n gi st h em a i ne n e r g yd i s s i p a t i o nc o m p o n e n t,w h i c hd i s p l a y sg r e a tb u f f e r i n ga n de n e r g ya b s o r b i n gf u n c t i o n s Wh e nt h eb o wo f as h i ph i t st h ep i e r,t h ep a r to f t h ed e v i c ef a c i n gt h ep i
12、e r i sn o t a b l yd e f o r m e d,w h i l em i n o rd e f o r m a t i o n i s s e e no n t h eb o w,a n dn os i g n i f i c a n t d e f o r m a t i o n i s f o u n d i n t h ep i l e c a p广州沥心沙大桥复合防撞装置抗撞性能分析田怀念a n dp i e r,a n dt h ec o n c r e t ek e e p si n t a c t T h ec o m p o s i t ea n t i
13、 c o l l i s i o nd e v i c ei so fg o o de c o n o m ya n da p p l i c a b i l i t yf o r i t sc o n v e n i e n c eo f f a b r i c a t i o n,i n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e K e yw o r d s:r i g i d f r a m eb r i d g e;c o m p o s i t ea n t i c o l l i s i o nd e v i c e m a d e
14、f r o m c o r r u g a t e ds t e e lp l a t e a n d s t e e l c l a d d i n g;s h i p b r i d g e c o l l i s i o n;i m p a c tf o r c e;e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y;d a m a g e;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d概述沥心沙大桥(洪奇沥第二大桥)位于广州市南沙区万顷沙镇,跨越洪奇沥水道(航道等级为级,设计最高和最低通航水位分别为 、m),是连接
15、南沙经济开发区与三民岛的主要通道.桥梁全长 m,桥宽 m,桥面设双向车道,无人行道.该桥主桥为()mT形刚构桥(图),主梁采用T形刚构带挂孔结构(挂孔为 m预应力混凝土简支T梁).下部结构采用桩柱式桥墩(墩柱横截面尺寸为 m m),承台采用混凝土结构(高 m),基础采用钻孔灌注桩.号墩结构布置见图.图沥心沙大桥主桥立面布置F i g E l e v a t i o nV i e wo fM a i nB r i d g eo fL i x i n s h aB r i d g e图 号墩结构布置F i g C o n f i g u r a t i o no fP i e rN o 沥心沙大桥
16、 年建成,原设计荷载等级为公路级,汽 级、挂 ,建成后通行车辆较多.该桥于 年经维修加固,将桥梁荷载等级提高至城A级荷载.该桥虽已进行维修加固,但防撞能力 仍 然 有 限;同 时 根 据 广 东 省 航 道 发 展 规 划(年),将该桥跨越的洪奇沥水道航道等级由级提升至级,增加了桥墩受船舶撞击的风险.为提高该桥的防撞能力,拟对主桥 号墩采取防撞措施.实际工程中采取的防撞措施大致可分为两类:主动防护和被动抗撞 .相比于主动防护,被动抗撞措施能够更加精准地降低船毁桥塌的概率,广泛应用于通航水域的大型桥梁中,其中最为典型的防护措施是设置防撞装置 .目前,主要的防撞装置有护舷式装置、桩承式装置、人工岛
17、、重力式防撞墩等.传统护舷式装置在船舶撞击下,面板易发生穿刺 ,该装置耗能构件的参与有限,防撞装置整体耗能效率较低,仅适用于中、低能量碰撞.桩承式装置通过桩基础的延性弯曲变形耗散碰撞动能,对桥位地质条件要求较高,经济性较差.人工岛隔离了桥墩和船舶,针对高能量碰撞可提供有效的防护,但其对桥位航道及水文环境影响和依赖性较大.重力式防撞墩通过船艏变形耗散能量,船舶可能发生明显损伤.本文提出一种新型固定式波折钢板钢覆复合防撞装置(以下简称复合防撞装置)代替传统的护舷式装置,该装置可通过内部波折钢板和聚氨酯泡沫耗散能量,提高防撞装置的耗能效率.为分析复合防撞装置结构的防护性能,为类似桥梁防撞装置的设计和
18、应用提供参考,以沥心沙大桥主桥 号墩的防撞设计为背景,采用有限元软件L S D YNA建立船复合防撞装置桥的碰撞模型,针对设置、未设置防撞装置,进行不同水位(常水位 m和高水位 m)、撞击角度(正撞 和斜撞 )下的船桥碰撞动力计算分析.波折钢板钢覆复合防撞装置结构根据 内河通航标准 及桥址航道调查报告,洪奇沥水道级通航航道设防船型为 DWT船舶,船舶在航行过程中同时存在正撞(撞击角度为)和斜撞桥墩的风险.根据船舶碰撞风险评估报告,洪奇沥水道的常水位与 号墩承台表面的高度基本持平,碰撞时船箱首先与承台接触,故在 号墩承台处设置复合防撞装置.同时,由于洪奇沥水道的通航高水位和常水位的落差较小,复合
19、防撞装置采用固定式结构.为抵御大吨位船舶的冲击,号墩采用的复合防撞装置基本防护厚度设计为m;桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()同时在 号墩上游侧设计为筏型构造,并适当增加结构厚度,以提升碰撞时船舶的航行转向能力.为保证复合防撞装置对桥梁承台的保护效果,复合防撞装置的安装高度及上、下表面均与 号墩的承台齐平.复合防撞装置结构布置见图.图 号墩复合防撞装置结构布置F i g C o m p o s i t eA n t i C o l l i s i o nD e v i c e i nP i e rN o 该复合防撞装置主要由钢面板、波折钢板、聚
20、氨酯芯材、G F R P防护层和方形橡胶垫块构成,见图.钢面板作为外部面板,为防撞装置的基本箱体结构,主要作用是分布船舶撞击力,使更大区域协同受力;波折钢板安装在箱体内部,通过挤压折叠变形耗散冲击能量,是重要的吸能耗能元件,能够连接前、后钢面板协同受力,改善防撞装置的整体受力情况;聚氨酯芯材填充在钢套箱的内部,是一种良好的柔性吸能材料,同时可降低结构的整体比重;G F R P防护层包裹在钢套箱的外围,可有效预防潮湿环境下钢板腐蚀;方形橡胶垫块在防撞装置和桥墩相互接触时起到缓冲作用.防撞装置在桥位岸边初步拼装后,由船只托运至防护墩柱附近进行二次拼装成型,并与承台固定.碰撞分析有限元模型采用有限元
21、软件L S D YNA分别建立船舶、复图复合防撞装置内部结构及波折钢板细部构造F i g D e t a i l so fC o m p o s i t eA n t i C o l l i s i o nD e v i c ea n dC o r r u g a t e dS t e e lP l a t e s合防撞装置及沥心沙大桥主桥模型(船复合防撞装置桥的碰撞模型),并进行碰撞计算分析.船舶有限元模型 号墩的设防船型为 DWT船舶(总长 m、型宽 m、型深 m,吃水 m;船甲板、船底板、舷侧外板及肋骨厚度均为 mm),船艏(外部包括主甲板、护舷及船艏钢板,内部包括次甲板、船底板、纵桁及
22、横梁)和船身均采用Q 钢.采用L S D Y N A软件建立船舶有限元模型(图).模型中,船艏采用S h e l l单元、双线性弹塑性材料模 型(MA T_P L A S T I C_K I N E MA T I C)模拟,其屈服后切线模量和破坏应变分别为 M P a和 ,应变率参数C和p分别取 和 .船身采用S o l i d单元、刚体材料模型(MA T_R I G I D)模拟.考虑附连水效应对船舶航行的影响,船舶总质量取 t.图船舶有限元模型F i g F i n i t eE l e m e n tM o d e l o fS h i p广州沥心沙大桥复合防撞装置抗撞性能分析田怀念 主
23、桥模型采用L S D Y N A软件建立沥心沙大桥主桥有限元模型(图).模型中,主梁采用S o l i d单元、弹性材料模型(MA T_E L A S T I C)模拟,桥墩及承台均采用S o l i d单元、各向异性脆性损伤材料模型(MA T_B R I T T L E_D AMA G E)模拟.主梁、桥墩及承台均为C 混凝土结构;钢筋采用热轧钢筋,其屈服强度、硬化模量和破坏应变分别为 、M P a和 .主梁、桥墩及承台运用共节点连接,不考虑粘结滑移效应.为模拟桩基对承台的位移限制,采用关键字S P C_S E T约束承台底面的个平动自由度.图沥心沙大桥主桥有限元模型F i g F i n
24、i t eE l e m e n tM o d e l o fM a i nB r i d g eo fL i x i n s h aB r i d g e 复合防撞装置有限元模型采用L S D YNA软件建立复合防撞装置有限元模型(图).模型中,钢面板和波 折钢板均采 用S h e l l单 元、双 线 性 弹 塑 性 材 料 模 型(MAT_P L A S T I C_K I N EMAT I C)模拟,密度 k g/m,弹性模量 MP a,屈服强度 MP a,泊松比 ,应变率参数C和p分别为 和.聚氨酯芯材采用S o l i d单元、泡沫材 料模型(MA T_L OW_D E N S I
25、 T Y_F O AM)模拟,密度 k g/m,弹性模量 M P a,屈服强度 M P a.G F R P防护层采用复合材料本构模型(MA T_L AM I N A T E D_C OM P O S I T E_F A B R I C)模拟,密度 k g/m,弹性模量 M P a,泊松比 ,剪切强度、压缩强度、拉伸强度分别为 、M P a.橡胶垫块采用 橡 胶 材 料 模 型(MA T_MO O N E Y_R I V L I N_R U B B E R)模拟,密度 k g/m,泊松比 ,应变能密度函数参数A和B分别为 、M P a.复合防撞装置各结构之间及其接触界面均采用共节点连接.复合防撞
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