船撞荷載作用下大跨度斜拉橋梁軌相互作用規(guī)律研究

左 楊 肖 祥 何雄君

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

船舶撞擊橋梁問題在土木工程界一直得到了較大的關(guān)注.Woisin[1]基于結(jié)構(gòu)損傷與變形線性假定的基礎(chǔ)上，考慮水流作用得出了具有代表性的船撞荷載.Petersen[2]基于船撞的統(tǒng)計分析與簡化數(shù)值計算得到了適合于設(shè)計分析的船撞力經(jīng)驗公式.此后大量學(xué)者對該問題進行了較為深入的分析研究，得出了一系列實用的船撞力計算公式, 并在世界各國形成了設(shè)計規(guī)范.AASHTO規(guī)范基于已有的研究成果，給出了適合于駁船和貨船船撞力計算的通用公式[3].我國相關(guān)橋梁設(shè)計規(guī)范也規(guī)定了船撞力大小的取值公式[4-5].

梁軌相互作用研究始于Siekmeier對軌道阻力-位移之間的相互關(guān)系的理論分析[6].鮑列耶夫柯[7]基于解析法提出了無縫線路縱向附加力的計算公式.文獻[8]對橋梁軌道面制動力率和有效制動力率進行多次測試.文獻[9]基于提出的準靜態(tài)分析理論，第一次建立了梁軌相互作用整體分析模型.文獻[10]建立了可以模擬縱向力傳遞過程的理想彈塑性縱向阻力模型，且該模型可采用有限元方法實現(xiàn).我國對梁軌相互作用的研究先后經(jīng)歷了考慮橋梁伸縮力和撓曲力、計算鋼軌縱向位移和鋼軌附加應(yīng)力、考慮縱向阻力與支座類型等多因素對簡支梁橋梁軌相互作用的影響，以及橋梁縱向力傳遞特性等階段[11].最近，國內(nèi)外對梁軌相互作用的研究開始采用三維非線性有限元方法建立梁軌一體化模型，這種建立模型的方式能更徹底的研究梁軌相互作用規(guī)律.

國內(nèi)外學(xué)者對船撞問題以及梁軌相互作用問題進行了大量的理論分析和實驗研究，但在現(xiàn)有梁軌相互作用研究中，多是考慮橋梁伸縮力、撓曲力等附加力影響，并未直接分析船舶撞擊下的梁軌相互作用影響，對其作用規(guī)律尚不明確，因此，文中以實際大跨度公鐵兩用斜拉橋為背景，對船撞荷載作用下的梁軌相互作用規(guī)律進行了分析研究.基于LS-DYNA3D對船舶撞擊荷載進行了有限元動力學(xué)分析，接著基于ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊分析了常規(guī)船撞荷載作用下該橋的梁軌相互作用規(guī)律，及不同噸位船撞荷載、不同撞擊高度和橋塔下部裝有防撞鋼套箱時梁軌作用的變化規(guī)律.最后，采取合理的防撞方案對防撞效果進行了分析.

1 船撞力分析

1.1 工程背景

以重慶白居寺公鐵兩用斜拉橋為背景，該橋跨徑布置為107 m+255 m+660 m+255 m+107 m，見圖1.該橋主塔為水滴形混凝土橋塔，塔高236 m；主梁為板-桁結(jié)合鋼桁梁，兩主桁間距為18 m；每個主塔共設(shè)置了40對斜拉索，拉索橋面錨固間距為15 m.

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

1.2 船撞力時程曲線

根據(jù)該公鐵兩用斜拉橋所在航道的通航要求，該斜拉橋應(yīng)能承受5 000 t級貨船撞擊.為研究該斜拉橋在船舶撞擊荷載作用下的梁軌相互作用，選取3 000 t級和5 000 t級船舶兩種船型作為代表船型，代表船型相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 代表船型參數(shù)

基于LS-DYNA3D通用程序模擬船舶撞擊橋梁的過程，仿真模型見圖2a).仿真建模過程中，為保證船首結(jié)構(gòu)剛度的準確性，船首結(jié)構(gòu)根據(jù)實際尺寸進行建模，船身部分采用二維剛體建模方式進行簡化，整船質(zhì)量通過調(diào)整材料密度來實現(xiàn).附加水質(zhì)量取船舶質(zhì)量的4%(一般取2%～7%船體質(zhì)量)，并采用提高船體鋼材密度方式實現(xiàn).船舶-橋梁剛度比較小時，樁土效應(yīng)對船橋碰撞過程及碰撞力影響較小，因此，采用塔墩底部固結(jié)的邊界條件以忽略樁土效應(yīng)的影響.船首結(jié)構(gòu)與橋梁塔墩的接觸方式采用面面接觸.船橋碰撞屬于鋼與混凝土之間的摩擦，模型中動、靜摩擦系數(shù)取0.3，且不隨壓力變化.船首結(jié)構(gòu)部分在撞擊過程中將會發(fā)生大變形，因此，鋼材選用KINEMATIC材料模型，該種模型適用于碰撞荷載作用下金屬材料的模擬.橋塔混凝土材料為C40，采用HJC本構(gòu)模型進行模擬.

在基于LS-DYNA3D的仿真分析中，船舶撞擊速度取4.5 m/s，并選取橋軸線的法線與撞擊速度方向的夾角為0°以模擬船舶正面撞擊斜拉橋的典型最不利情況.模擬船橋碰撞后得到的3 000 t和5 000 t級船舶撞擊力的時程數(shù)據(jù)，見圖2b).由圖2b)可知，3 000 t級船舶正撞力在0.355 s達到最大值27.8 MN，5 000 t級船舶正撞力在0.585 s達到最大值34.4 MN，且5 000 t級船舶撞擊橋梁的持續(xù)時間明顯更長.

由仿真分析可得到的3 000 t級、5 000 t級船舶的最大撞擊力及最大值時間周期，利用經(jīng)驗公式及規(guī)范公式亦可得到最大撞擊力及最大值時間周期的計算結(jié)果，見表2.由表2可知，利用沃辛公式計算的船撞力數(shù)值最大，采用LS-DYNA3D模擬船舶撞擊橋梁得到的船撞力數(shù)值介于沃辛公式和AASHTO規(guī)范公式的計算結(jié)果之間，但明顯大于其他規(guī)范公式的計算結(jié)果，因此研究采用LS-DYNA3D模擬船舶撞擊橋梁得到的船撞力是基本合理的.基于此，采用LS-DYNA3D模擬船舶撞擊橋梁，進而得到各種撞擊角度、撞擊高度的船撞時程荷載.

圖2 船橋碰撞模擬及船撞力圖

表2 船撞力對比結(jié)果MN

2 斜拉橋模型

基于ANSYS有限元軟件結(jié)構(gòu)分析模塊，并將橋塔下部結(jié)構(gòu)進行了簡化，建立該斜拉橋全橋有限元模型見圖3.模型中取順橋向為X方向、豎橋向為Y方向、橫橋向為Z方向，采用BEAM4單元模擬主桁架、主塔、軌道縱梁和鋼軌.考慮LINK10單元具有雙線性剛度矩陣特性，單元受壓時剛度就會消失，其可以模擬軸向僅受拉或僅受壓桿單元，因此選取LINK10單元模擬松弛狀態(tài)下的斜拉索，并且采用等效彈性模量法考慮斜拉索的垂度引起的非線性影響；采用SHELL63單元模擬上下層鋼正交異性橋面板.

圖3 斜拉橋有限元模型圖

ANSYS建模過程中，為合理模擬線路-縱梁之間的相互作用，采用細化縱梁和鋼軌的節(jié)點劃分，每隔0.75 m建立一個節(jié)點；在橋頭兩端分別建立伸出鋼桁架梁240 m的鋼軌，并在鋼軌端點處進行固結(jié)以減小路基的影響.為保證鋼軌的空間線形，可通過采用帶剛臂的縱梁來模擬梁軌相互作用；對于縱梁和鋼軌之間的縱向阻力，可通過剛臂和鋼軌在X方向采用COMBIN39非線性彈簧單元連接，在Y，Z兩個方向以耦合方式連接.由于鋼軌截面面積較小，可忽略其轉(zhuǎn)動，因此約束鋼軌繞X方向的轉(zhuǎn)動.全橋模型共采用了16 000個BEAM4單元，160個LINK10單元，920個SHELL63單元，3 682個COMBIN39單元.

3 船撞荷載作用下的梁軌相互作用

3.1 5 000 t級船撞荷載作用下的梁軌相互作用分析

根據(jù)該斜拉橋所在航道的通航要求，航道最高通航水位為198.25 m，最低通航水位為166.84 m，最高和最低通航水位分別對應(yīng)于有限元模型節(jié)點為3248和3249高度處.縱梁與鋼軌橫向相對位移反應(yīng)了縱梁對鋼軌的約束力的大小，直接反應(yīng)梁軌相互作用的情況.

選取5 000 t級船舶作為代表船型，船舶撞擊位置選擇船舶在航道上能正常航行的最低通航水位所對應(yīng)的3249號節(jié)點，針對該撞擊荷載進行數(shù)值計算，并選取跨中、1/4跨作為梁軌相互作用的研究斷面，得到其橫向梁軌相對位移值見圖4.由圖4可知，5 000 t級船撞荷載作用下，梁軌橫向相對位移值在跨中和1/4跨斷面處數(shù)值差異較小，其最大相對位移值均小于2.0 mm，說明梁軌橫橋向變化趨勢基本一致.

圖4 5 000 t級船撞荷載作用下橫向梁軌相對位移值

3.2 不同船撞荷載作用下梁軌相互作用分析

選取3 000 t和5 000 t級兩種船撞荷載，船舶撞擊位置選擇3249號節(jié)點.主要分析兩種船撞荷載作用下，梁軌跨中、1/4跨斷面處的橫向相對位移變化規(guī)律，見圖5.由圖5可知：①兩種船撞力作用下的梁軌跨中和1/4跨節(jié)點相對位移值波動范圍為-2.0～2.0 mm，說明船撞力的大小對梁軌相對位移值變化趨勢的影響并不大；②梁軌相對位移值受船撞力大小影響較大，且船撞力越大，梁軌相對位移越大.

圖5 兩種船撞荷載下梁軌橫向相對位移值

3.3 船舶撞擊橋梁不同高度時梁軌相互作用分析

選取5 000 t級船舶作為代表船型，船舶撞擊橋梁位置選取3248號節(jié)點和3249號節(jié)點，主要對梁軌跨中斷面處橫向相對位移值變化規(guī)律進行研究，見圖6.由圖6可知，船撞荷載作用橋塔下部不同高度情況下，梁軌跨中節(jié)點的橫向相對位移值最大值接近3.0 mm，說明船撞點的高低對鐵軌的位移有較大的影響，且船撞點越高，其對位移大小的影響越顯著.

圖6 不同高度時梁軌Z向相對位移值

3.4 防撞裝置對梁軌相互作用影響規(guī)律分析

船橋碰撞時，當(dāng)橋梁未安裝防撞設(shè)施，梁軌相對位移最大值接近2.0 mm；若梁軌相對位移繼續(xù)擴大將會造成橋梁線路結(jié)構(gòu)的破壞，如橋上混凝土軌枕的開裂，甚至是鋼軌扣件的損壞等線路結(jié)構(gòu)損傷問題.因此，為保護橋梁線路結(jié)構(gòu)在正常運營期間的安全，有必要對橋梁安裝防撞設(shè)施時梁軌相對作用進行討論研究，

為研究防撞裝置的防撞效果，選取鋼-泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)作為防撞裝置，并將其安裝于橋塔下部適當(dāng)位置.基于LS-DYNA3D對安裝防撞裝置后的船撞橋進行仿真模擬，有限元模型見圖7a)，最終計算分析得到船撞力時程曲線見圖7b).由圖7可知，帶有防撞鋼套箱時其船撞力最大值接近20 MN，相比于裸墩有很明顯的減小，減小幅度達到42.8%，但時間周期明顯增大.將帶有防撞鋼套箱時的船撞力作用于該斜拉橋模型，選取3249號節(jié)點作為撞擊位置，得到典型斷面梁軌橫向的相對位移見圖8.橋梁跨中的梁軌相互作用對橋上整個軌道結(jié)構(gòu)而言，較為重要.由圖8a)可知，安裝防撞鋼套箱時，橋梁跨中的橫向最大梁軌相對位移顯著小于2.0 mm，相對于裸塔有非常顯著的減小，說明防撞設(shè)施對于橋梁跨中的軌道結(jié)構(gòu)的保護作用很明顯.此外，由圖8b)可知，1/4跨處的橫向最大梁軌相對位移也顯著減小，其效果較跨中處稍差，這也與防裝設(shè)計以跨中作為控制斷面有關(guān).

圖7 帶有防撞裝置的船橋碰撞模擬及船撞力圖

圖8 5 000 t級船撞荷載作用下梁軌橫向相對位移

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)LS-DYNA3D通用程序模擬得到的船撞力，經(jīng)過與經(jīng)驗公式和規(guī)范公式對比后是合理的；模擬船橋碰撞過程中，船舶噸位的大小對船撞力的大小有比較明顯的影響，既影響碰撞持續(xù)時間，也影響船撞力最大值出現(xiàn)的時間周期.

2) 船舶撞擊橋梁時，橋梁及橋上軌道結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)比較明顯的位移，并且船撞力的大小、船舶撞擊高度等對梁軌相對位移有不可忽視的影響.

3) 梁軌相互作用分析研究表明，船橋碰撞過程中，在橋梁結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置安裝防撞裝置后，船橋碰撞過程中傳遞至橋梁的能量被部分消耗掉，使梁軌相對位移有了顯著的減小，從而在一定程度上能更有效的保護橋梁的安全.

因此建議在橋梁適當(dāng)位置設(shè)置防撞裝置或緩沖消能設(shè)施，使船舶撞擊橋梁對橋上軌道結(jié)構(gòu)的影響減小，從而不影響橋梁的正常使用.