郭颍奎,韩晓育,孟闻远
(1.华北水利水电大学,河南 郑州450045;2.黄河水利职业技术学院,河南 开封475004)
河道开河期,大块流凌对船舶、桥墩等水中建筑物产生强大的动冰压力和撞击力,致使水工建筑物遭到不同程度破坏,严重影响河道正常通航,开展流冰碰撞下结构物的破坏研究意义重大. 目前非线性动力分析有限元程序ANSYS/LS-DYNA 在撞击问题研究中的应用也越来越普遍,如船桥撞击[1]、飞机机翼前缘抗鸟撞分析[2]等. 笔者运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA 对流冰碰撞下的桥墩进行安全分析,这在国内尚属首例.
这里所讨论的流冰碰撞桥墩现象属于低速碰撞非线性问题,碰撞瞬间流冰将发生变形或破碎,桥墩在碰撞区产生高应力并发生整体位移,整个碰撞过程伴随着能量的交换和吸收,在有限元方法中,其运动方程可表示为
考虑计算机运算的可行性,在建立模型时进行了简化.桥梁跨度由多跨简化为单跨,桥墩底部简化为固定端,流水对桥墩的冲击作用以节点荷载代替.
计算模型分为单跨桥梁和流冰两部分.桥墩为圆柱形,高度为8 m,截面半径为0.5 m,横向间距为5 m,纵向间距为5 m. 桥面板尺寸为5 m ×5 m ×0.5 m,流冰尺寸为4 m×5 m×0.3 m.
当水深为5 m 时,流冰露出水面0.03 m,流冰与桥墩X 方向间距(水平距离)0.02 m.根据流冰撞击桥墩位置不同,分别建立了正碰、四分之一碰撞和点面碰撞3 种类型,其中正碰有限元模型如图1所示.
图1 流冰截面中心正碰桥墩
桥墩和流冰都采用ANSYS/LS-DYNA 中SOLID164 单元,此单元为8 节点六面体.流冰材料选用各向同性弹性断裂模型,具体模型参数见表1.
表1 流冰计算模型材料参数
桥墩材料模型选用LS-DYNA 材料库中脆性破坏模型,具体模型参数见表2.
表2 桥墩计算模型材料参数
流冰沿X 轴方向运动并与桥墩发生正碰,碰撞接触采用自动面面接触(AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)类型,在“接触—碰撞”界面采用最常用的对称罚函数法进行计算,流冰与桥墩间的静摩擦系数FS=0.45,动摩擦系数FD=0.45,通过修改K 文件中FS,FD,DC值来实现摩擦定义.
流冰尺寸为4m×5m×0.3m,速度为0.5 m/s.碰撞瞬间,流冰的碰撞区首先发生局部变形,之后整体运动,在0.076 s 左右时流冰速度变为0.0 m/s.随后流冰被桥墩弹回,速度方向改变,大小约为0.9 m/s.随着流冰与桥墩逐渐分离,碰撞力也开始衰弱.整个碰撞过程持续了大约0.040 s.
碰撞过程中的能量变化情况如图2所示.
图2 碰撞过程中能量时程曲线
流冰的总动能为675.0 J,碰撞过程中总能量基本守恒.
在流冰与桥墩碰撞瞬间,流冰的第1 主应力、第3 主应力分别如图3和图4所示.
图3 碰撞瞬间流冰第1 主应力图
图4 碰撞瞬间流冰第3 主应力图
由图3和图4可知,应力主要集中分布在碰撞接触的局部区域. 碰撞瞬间冰的最大拉应力为2.534 ×106Pa,最大压应力为6.596 ×106Pa,碰撞结束后冰的最大拉应力和最大压应力有所减小.
桥墩在碰撞前受重力和流水动压力作用,其压应力如图5所示.
图5 桥墩受到流水动压力作用云图
碰撞瞬间,桥墩最大拉应力7.469 ×106Pa,最大压应力1.537 ×107Pa.
当流冰尺寸为4 m ×5 m ×0.3 m,流冰速度为0.5 m/s 时,计算得出流冰与桥墩在不同碰撞位置时的冰力值是不同的,其中四分之一碰撞时冰力值最大,点面碰撞冰力值最小,如图6所示.
图6 不同碰撞位置的冰力值变化趋势图
流冰尺寸为4 m ×5 m ×0.3 m,计算得出流冰分别以0.5,0.7,1.0,1.5 m/s 的速度与桥墩正碰时的最大冰力值,绘成曲线如图7所示.
图7 冰力值随流冰速度变化趋势图
由图7可知,随着流冰速度的增加,冰力值也呈现增加的趋势.
为预防桥墩在流冰巨大撞击力作用下失效或破坏,可提前对大块流冰进行爆破处理,因而确定致使桥墩破坏的最小流冰尺寸是关键.
当水流速度和流冰运动速度均为1.5 m/s,流冰厚度为0.3 m 时,对多组不同大小的矩形流冰对桥墩的撞击破坏过程进行了分析.计算得出,当流冰尺寸为4 m ×5 m 时,桥墩最大剪应力为1.831 ×107Pa,大于混凝土的极限剪应力(1.45 ×107Pa),最大主应力为3.325 ×107Pa,超过了混凝土的屈服应力(2.9 ×107Pa),桥墩局部将发生破坏;当流冰尺寸为4 m×4 m 时,桥墩最大剪应力为1.479×107Pa,大于混凝土的极限剪应力,桥墩局部将发生剪切破坏;当流冰尺寸为4 m ×3 m 时,桥墩最大剪应力值为1.254 ×107Pa,小于混凝土的极限剪应力,最大主应力值1.384 ×107Pa,小于混凝土的屈服应力,桥墩不会发生破坏.
由此可见,对尺寸达到或超过4 m×4 m 的流冰应提前进行爆破,避免流冰对桥墩的撞击破坏.
用动力显式分析软件ANSYS/LS-DYNA 进行流冰与桥墩的碰撞破坏过程仿真分析是一种可行、简便和有效的方法.计算得出了在一定河道、常见流冰速度下致使桥墩破坏的最小流冰尺寸,可为冰凌灾害的防治工作提供参考和指导.
[1]熊安平. 基于LS-DYNA 仿真模拟对船桥撞击的研究[D].南昌:华东交通大学,2012.
[2]万小朋,龚伦,赵美英,等.基于ANSYS/LS-DYNA 的飞机机翼前缘抗鸟撞分析[J].西北工业大学学报,2007,25(2):285-289.