流冰碰撞下桥墩安全的有限元分析

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.

1 流冰碰撞桥墩的运动方程

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

2 碰撞计算的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

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

2.2 计算模型材料参数

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

3 流冰与桥墩碰撞结果分析

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.

3.1 流冰撞击桥墩过程能量分析

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.

3.2 流冰应力分析

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.

3.3 桥墩应力分析

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.

3.4 碰撞位置对冰力的影响

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

3.5 流冰速度对冰力的影响分析

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.

3.6 研究结果在冰凌灾害防治中的应用

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.

4 结 语

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.