流冰碰撞下橋墩安全的有限元分析

郭潁奎，韓曉育，孟聞遠(yuǎn)

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封475004)

河道開河期，大塊流凌對(duì)船舶、橋墩等水中建筑物產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)冰壓力和撞擊力，致使水工建筑物遭到不同程度破壞，嚴(yán)重影響河道正常通航，開展流冰碰撞下結(jié)構(gòu)物的破壞研究意義重大. 目前非線性動(dòng)力分析有限元程序ANSYS/LS-DYNA 在撞擊問題研究中的應(yīng)用也越來越普遍，如船橋撞擊［1］、飛機(jī)機(jī)翼前緣抗鳥撞分析［2］等. 筆者運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對(duì)流冰碰撞下的橋墩進(jìn)行安全分析，這在國內(nèi)尚屬首例.

1 流冰碰撞橋墩的運(yùn)動(dòng)方程

這里所討論的流冰碰撞橋墩現(xiàn)象屬于低速碰撞非線性問題，碰撞瞬間流冰將發(fā)生變形或破碎，橋墩在碰撞區(qū)產(chǎn)生高應(yīng)力并發(fā)生整體位移，整個(gè)碰撞過程伴隨著能量的交換和吸收，在有限元方法中，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

2 碰撞計(jì)算的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)算的可行性，在建立模型時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化.橋梁跨度由多跨簡(jiǎn)化為單跨，橋墩底部簡(jiǎn)化為固定端，流水對(duì)橋墩的沖擊作用以節(jié)點(diǎn)荷載代替.

計(jì)算模型分為單跨橋梁和流冰兩部分.橋墩為圓柱形，高度為8 m，截面半徑為0.5 m，橫向間距為5 m，縱向間距為5 m. 橋面板尺寸為5 m ×5 m ×0.5 m，流冰尺寸為4 m×5 m×0.3 m.

當(dāng)水深為5 m 時(shí)，流冰露出水面0.03 m，流冰與橋墩X 方向間距(水平距離)0.02 m.根據(jù)流冰撞擊橋墩位置不同，分別建立了正碰、四分之一碰撞和點(diǎn)面碰撞3 種類型，其中正碰有限元模型如圖1所示.

圖1 流冰截面中心正碰橋墩

2.2 計(jì)算模型材料參數(shù)

橋墩和流冰都采用ANSYS/LS-DYNA 中SOLID164 單元，此單元為8 節(jié)點(diǎn)六面體.流冰材料選用各向同性彈性斷裂模型，具體模型參數(shù)見表1.

表1 流冰計(jì)算模型材料參數(shù)

橋墩材料模型選用LS-DYNA 材料庫中脆性破壞模型，具體模型參數(shù)見表2.

表2 橋墩計(jì)算模型材料參數(shù)

3 流冰與橋墩碰撞結(jié)果分析

流冰沿X 軸方向運(yùn)動(dòng)并與橋墩發(fā)生正碰，碰撞接觸采用自動(dòng)面面接觸(AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)類型，在“接觸—碰撞”界面采用最常用的對(duì)稱罰函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，流冰與橋墩間的靜摩擦系數(shù)FS=0.45，動(dòng)摩擦系數(shù)FD=0.45，通過修改K 文件中FS，F(xiàn)D，DC值來實(shí)現(xiàn)摩擦定義.

流冰尺寸為4m×5m×0.3m，速度為0.5 m/s.碰撞瞬間，流冰的碰撞區(qū)首先發(fā)生局部變形，之后整體運(yùn)動(dòng)，在0.076 s 左右時(shí)流冰速度變?yōu)?.0 m/s.隨后流冰被橋墩彈回，速度方向改變，大小約為0.9 m/s.隨著流冰與橋墩逐漸分離，碰撞力也開始衰弱.整個(gè)碰撞過程持續(xù)了大約0.040 s.

3.1 流冰撞擊橋墩過程能量分析

碰撞過程中的能量變化情況如圖2所示.

圖2 碰撞過程中能量時(shí)程曲線

流冰的總動(dòng)能為675.0 J，碰撞過程中總能量基本守恒.

3.2 流冰應(yīng)力分析

在流冰與橋墩碰撞瞬間，流冰的第1 主應(yīng)力、第3 主應(yīng)力分別如圖3和圖4所示.

圖3 碰撞瞬間流冰第1 主應(yīng)力圖

圖4 碰撞瞬間流冰第3 主應(yīng)力圖

由圖3和圖4可知，應(yīng)力主要集中分布在碰撞接觸的局部區(qū)域. 碰撞瞬間冰的最大拉應(yīng)力為2.534 ×106Pa，最大壓應(yīng)力為6.596 ×106Pa，碰撞結(jié)束后冰的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力有所減小.

3.3 橋墩應(yīng)力分析

橋墩在碰撞前受重力和流水動(dòng)壓力作用，其壓應(yīng)力如圖5所示.

圖5 橋墩受到流水動(dòng)壓力作用云圖

碰撞瞬間，橋墩最大拉應(yīng)力7.469 ×106Pa，最大壓應(yīng)力1.537 ×107Pa.

3.4 碰撞位置對(duì)冰力的影響

當(dāng)流冰尺寸為4 m ×5 m ×0.3 m，流冰速度為0.5 m/s 時(shí)，計(jì)算得出流冰與橋墩在不同碰撞位置時(shí)的冰力值是不同的，其中四分之一碰撞時(shí)冰力值最大，點(diǎn)面碰撞冰力值最小，如圖6所示.

圖6 不同碰撞位置的冰力值變化趨勢(shì)圖

3.5 流冰速度對(duì)冰力的影響分析

流冰尺寸為4 m ×5 m ×0.3 m，計(jì)算得出流冰分別以0.5，0.7，1.0，1.5 m/s 的速度與橋墩正碰時(shí)的最大冰力值，繪成曲線如圖7所示.

圖7 冰力值隨流冰速度變化趨勢(shì)圖

由圖7可知，隨著流冰速度的增加，冰力值也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).

3.6 研究結(jié)果在冰凌災(zāi)害防治中的應(yīng)用

為預(yù)防橋墩在流冰巨大撞擊力作用下失效或破壞，可提前對(duì)大塊流冰進(jìn)行爆破處理，因而確定致使橋墩破壞的最小流冰尺寸是關(guān)鍵.

當(dāng)水流速度和流冰運(yùn)動(dòng)速度均為1.5 m/s，流冰厚度為0.3 m 時(shí)，對(duì)多組不同大小的矩形流冰對(duì)橋墩的撞擊破壞過程進(jìn)行了分析.計(jì)算得出，當(dāng)流冰尺寸為4 m ×5 m 時(shí)，橋墩最大剪應(yīng)力為1.831 ×107Pa，大于混凝土的極限剪應(yīng)力(1.45 ×107Pa)，最大主應(yīng)力為3.325 ×107Pa，超過了混凝土的屈服應(yīng)力(2.9 ×107Pa)，橋墩局部將發(fā)生破壞;當(dāng)流冰尺寸為4 m×4 m 時(shí)，橋墩最大剪應(yīng)力為1.479×107Pa，大于混凝土的極限剪應(yīng)力，橋墩局部將發(fā)生剪切破壞;當(dāng)流冰尺寸為4 m ×3 m 時(shí)，橋墩最大剪應(yīng)力值為1.254 ×107Pa，小于混凝土的極限剪應(yīng)力，最大主應(yīng)力值1.384 ×107Pa，小于混凝土的屈服應(yīng)力，橋墩不會(huì)發(fā)生破壞.

由此可見，對(duì)尺寸達(dá)到或超過4 m×4 m 的流冰應(yīng)提前進(jìn)行爆破，避免流冰對(duì)橋墩的撞擊破壞.

4 結(jié) 語

用動(dòng)力顯式分析軟件ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行流冰與橋墩的碰撞破壞過程仿真分析是一種可行、簡(jiǎn)便和有效的方法.計(jì)算得出了在一定河道、常見流冰速度下致使橋墩破壞的最小流冰尺寸，可為冰凌災(zāi)害的防治工作提供參考和指導(dǎo).

［1］熊安平. 基于LS-DYNA 仿真模擬對(duì)船橋撞擊的研究［D］.南昌:華東交通大學(xué)，2012.

［2］萬小朋，龔倫，趙美英，等.基于ANSYS/LS-DYNA 的飛機(jī)機(jī)翼前緣抗鳥撞分析［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(2):285－289.