波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析
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作者:沈洋
摘 要：随着跨海大桥的不断发展，主桥墩防撞装置的设计和强度校核方法的研究越来越重要。本文以某跨海大桥的主桥墩防撞结构为研究对象，通过SESAM软件建立大桥防撞装置结构的有限元模型。根据大桥海域海浪情况，采用直接计算法进行弹簧约束方法，在极限波浪作用下对该浮式防撞设施结构强度进行强度分析。针对原始方案的总体结构强度分析结果进行研究，在原方案基础上提出了三种加强方案;并对三种加强方案进行强度分析。通过结果分析，三种加强方案都能满足结构屈服强度设计要求。
关键词：桥梁防撞装置;有限元分析;弹簧约束方法; 结构强度分析
中图分类号：U445.3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0108-04
为了跨海大桥桥墩的船舶碰撞安全，设置了浮式防撞设施，由于是新型结构物，目前没有相应的规范和标准进行借鉴设计。
孙旋[1]在北江航道白土大桥防撞设计中针对北江韶关至乌石航道整治工程中白土大桥的防撞，通过从防撞效果、对航道净宽的影响、撞击船舶损伤度、船舶撞击对桥梁的损伤、日常维护费用、撞损后修复难度、消能缓冲效果、对船舶的保护能力、水文适应性、施工难度和工程造价等方面对各防撞方案的比较确定设计方案，为类似航道整治工程上桥梁防撞设计提供参考。许高利[2]在灌河特大桥防撞箱安装技术研究中采用的防撞设施为阻尼消能钢结构复合材料结构，防撞设施自身强度高、抗撞能力强，具有良好的社会经济效益与环境效益。李才志[3]针对内河跨航道桥梁水上防撞设施，对桥梁防撞体系、船撞力计算方法进行论述，结合内河跨航道桥梁自身特点和最新防撞理念，对适合内河跨航道桥梁的防撞方案和设施进行分析。结果表明： 适合内河跨航道桥梁水上防撞的防撞设施主要有固定或浮式防撞装置和桩基防撞墩两种类型。孙振宇[4]针对连盐铁路灌河特大桥设置防撞设施的必要性和防撞问题的特点，提出了两种防撞方案，通过非线性有限元碰撞计算对防撞设施进行分析。以往研究主要考虑船体与桥墩的碰撞，而防撞设备的波浪作用下的结构强度研究较少;本文基于跨海大桥的防撞装置在波浪载荷作用下的结构强度分析和设计研究，为桥梁设计提供参考。
本文关注的跨海大桥桥墩由2个截面为矩形的立柱构成，单个立柱长11.5m，宽8.65m;承台下设2m高封底混凝土，桩基础为36根直径2.8m的灌注桩，桩顶部加设30m高的钢护筒，桩长在70m以上。
1桥墩防撞设施方案
1.1 防撞设施构型
针对大桥的主墩结构，设计如图1-图2所示的防撞设施结构。
1.2 有限元建模
浮式防撞设施采用有限元法进行结构强度校核，采用SESAM软件的Genie模块进行三维建模，要采用4节点四边形单元和2节点梁单元建模，其中主要网格尺寸为0.8m;网格单元数为43150，节点个数为92022;图3至图4为防撞设施单模块中各部分的结构与单元网格示意图。
图5为防撞设施的水动力分析模型，主要单元位4节点四边形单元，其单元个数为5683;设计吃水2.0m。分析过程中，考虑防撞垫的作用，防撞垫位置处采用弹簧约束，约束方向为X、Y和Z方向的平动，允许其转动。
2分析工况及强度校核
2.1 环境条件设计
对防撞设施进行强度校核，不同工况下，采用直接计算法进行分析，在分析过程中，工况LC1为静载荷，包括浮力和重力。每个工况都对应一个波浪载荷工况。
针对波浪载荷，根据方钟圣[5]编写《西北太平洋波浪统计集》，根据防撞结构布置区域，选择S1区域的环境条件。根据该区域内发生概率最大的波浪取有义波高1.5m，最大波高3m;危险工况下有义波高取3.0m，最大波高6.0m。周期分析包括7.0s，7.5s，8.0s，8.5s，9.0s，9.5s;根据结构对称性取30度，45度，60度和90度。
2.2 结构强度分析
如图6应力云图所示，防撞结构的敏感区域应力达到400Mpa，远远超过235Mpa的许用应力，因此不满足设计要求。为了降低高应力，在此基础上本文提出了两种局部加强方案。
3 局部加强方案及强度校核
3.1 加强方案
针对高应力区域，采用内部增加弧形肘板和端部圆弧结构连接两种方案进行加强，加强方案如图7至图8所示。
3.2 加强方案强度校核
两种加强方案典型应力云图如图9图10所示。从表2中可以看出，在波高3米的三种周期条件下，在30度及60度浪向下最大Vonmises应力均较原方案有显著减小，其中外部圆弧方案为最优。
4结论
本文依据某海域的波浪统计结果，选择该区域内发生概率最大的波浪条件，分析了浮式防撞设施的总体结构强度，并针对高应力区域进行了两种加强方案的结构优化设计。通过结构强度的分析研究，可以得出如下结论：
（1）两种加强方案中，90度浪向时的三种周期条件下，最大屈服应力较为接近。而外部圆弧加强方案相较于其他方案在30度及60度浪向下Vonmise應力显著降低。
（2）针对极限波浪载荷，仅考虑极限载荷作用时，材料强度利用率外板中间部分为60%，端部为30%，而未考虑结构疲劳和船舶碰撞等影响因素。
参考文献：
[1]孙旋，饶西平.北江航道白土大桥防撞设计[J].公路与汽运，2016（02）：168-171.
[2]许高利.灌河特大桥防撞套箱安装技术研究[J].铁道建筑技术，2018（12）：64-68.
[3]李才志，付欧阳.上海内河跨航道桥梁防撞设施分析[J].水运工程，2017（11）：141-145.
[4]孙振宇.新建连盐铁路灌河特大桥防撞设施设计与分析[J].铁道建筑技术，2018（01）：40-42+53.
[5]方钟圣.《西北太平洋波浪统计集》与其他图册资料的比较[J].中国海洋平台，1997（01）：31-34+4-5.
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