凌汛期冰排与桥墩碰撞过程的数值模拟

季东航 李春良 孙 凡

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118)

我国北方冬季河流会出现冰封现象,到了来年春季河流经常出现大量冰排,有些冰排在流动过程中会对桥墩产生碰撞挤压作用,这种碰撞挤压力会导致桥墩产生频繁振动[1-3],对桥梁结构的承载力与耐久性造成不同程度的影响,甚至会威胁桥梁的安全使用.冰排所导致桥梁和水工建筑物破坏的现象在国内外时常发生[4],因此研究冰排与桥墩相互作用产生的碰撞挤压力以及对桥墩产生的影响非常必要.冰排与桥墩相互作用过程属于动态过程,在实际工程中大多采用半经验半理论公式进行计算.本文使用LS-DYNA软件建立有限元模型,对冰排与桥墩的撞击过程进行有限元模拟,并对计算结果进行了分析总结.

1 有限元模型的建立

1.1 单元类型的选择

ANSYS/LS-DYNA软件拥有丰富的单元材料库,本文中采用实体建模,桥墩和冰排都选用可创建三维模型的SOLID164单元[5],这个单元具有八个节点,每个节点都有X,Y,Z三个方向的位移、速度和加速度的自由度,仅用于显示动力分析中.

1.2 模型参数的选择

针对黄河流域某一河段冰情特点进行分析,冰排流速V取1m/s,冰排厚度h取0.5m.冰排采用线弹性材料本构关系,取冰弹性模量E=1.6GPa,密度ρ=900kg/m3,泊松比v=0.3.

冰排与桥墩相比刚性较小,通常是冰排发生挤压破碎,通过添加失效准则实现单元的删除.冰排对于桥墩的作用包括撞击作用以及冰排失效后对桥墩的挤压作用,冰排为脆性挤压破坏.为了提高模型数值分析的计算效率,桥墩混凝土采用线弹性材料本构关系,通过编辑关键字*MAT_ELASTIC中的相关参数控制混凝土的本构关系,本文中桥墩弹性模量E=3.25×104MPa,密度为ρ=2 500kg/m3,泊松比v=0.2.

1.3 建立模型和划分网格

在本文中建立了圆形桥墩和冰排有限元模型.桥墩直径取1.5m,墩高取10m,冰排尺寸为20m×15m×0.5m,水流以及风力对冰排的作用通过冰排初速度体现.在有限元分析中,网格划分的精度直接影响计算结果的准确性,为了尽可能的模拟真实情况,需要综合考虑网格划分精度与计算时间,本文中对冰排单元划分时对桥墩与冰排接触附近区域采用加密划分,在接触外围采用较粗的网格划分.本文建立了冰排与桥墩未碰撞模型以及即将碰撞模型,见图1，图2所示.

图1 初始有限元模型Fig.1 Initial finite element model

图2 冰排与桥墩相遇时模型Fig.2 The model when the ice floe meets the pier

1.4 接触类型及边界条件

在计算过程中所有载荷都施加在PART上,PART和单元的关系是由单元的关键字联系的,本文中PART使用EPART命令创建,然后Part IDs会自动按照创建顺序发生.

当桥墩与冰排相互作用时,桥墩的表面穿过冰排,同时冰排发生脆性挤压破坏,这是典型的侵蚀接触.同时在模拟过程中,桥墩与流冰有相对较大的接触区域需要使用面-面接触,因此选用侵蚀面-面接触类型(ESTS)模拟桥墩与流冰作用过程,桥墩底部采用固结边界条件[7].

2 结果分析

2.1 破坏过程分析

求解完成后通过后处理进行结果分析,为了分析冰排在相互作用过程中的破碎机理以及破坏形式,截取了碰撞过程中的状态图,并对局部区域进行了放大处理,见图3～图5.

通过分析图3初始碰撞时等效应力图,冰排与桥墩接触位置冰排应力较大,这时桥墩与冰排接触面非常小,桥墩并没有产生很大的应力.随着冰排与桥墩不断接触(见图4),桥墩在与冰排接触位置处出现最大应力,在桥墩的其他位置,应力呈现不均匀分布.冰排应力也呈现不均匀分布,并以扩散的形式在冰排内传递.分析图5碰撞结束等效应力,由于冰排速度减小,等效应力有所减小.桥墩在与冰排接触位置处与其他位置相比应力较大.由于在有限元模拟过程中对于冰排失效单元采取了删除措施,所以,当桥墩与冰排发生接触后,并没有出现碎冰堆积现象,冰排穿过桥墩之后冰排与桥墩的接触面并非平整连续的,而是呈现锯齿状,说明桥墩与冰排相互作用产生的挤压破坏过程呈现非同时破坏.

2.2 时程曲线分析

在实际工程中,冰荷载一般由半经验半理论公式计算,具有一定的局限性.利用有限元方法模拟冰排与桥墩相互作用过程,求解冰排对桥墩的冰荷载以及其他影响,可以体现不同地区冰力特点.本文模拟的冰力时程曲线见图6所示.

图6 冰力时程曲线Fig.6 Ice force time curve

通过分析冰力时程曲线,冰排与桥墩相互作用过程中冰力最大值为214.79kN,桥墩与冰排接触面的应力分布不是均匀的,桥墩与冰排接触后冰力有个上升过程,接触部分的冰单元达到冰块的抗压强度产生破碎失效,冰力有所下降,然后冰排继续移动再次碰撞桥墩,冰力又会逐渐回升,最后达到冰破坏力又回落,这样的过程不断往复.在碰撞结束时段,由于冰排速度有所降低,冰力有所下降.另外,冰排破碎之后桥墩产生了一定的挤压力,同时冰荷载具有一定的周期性,形成了冰力时程曲线.

当流冰与桥墩碰撞之后,桥墩产生频繁振动,使墩顶产生较大位移,提取墩顶位移时程曲线见图7所示,墩顶速度见图8所示.

图7 墩顶位移时程曲线Fig.7 Displacement time curve of pier top

图8 墩顶速度时程曲线Fig.8 Velocity time curve of pier top

从图7中可以看出,桥墩在冰荷载作用下发生了随机振动,随着冰排运动,位移总体呈现增大趋势,墩顶位移最大幅值为2.33mm.

通过图8可以看出,墩顶运动速度随着冰排移动也呈现增大趋势,速度最大为0.306m/s.冰荷载造成的桥墩振动可能会使混凝土发生疲劳破坏,减少桥墩使用寿命,同时对于行人的舒适性以及人身安全造成影响.所以应重视冰荷载对桥墩造成的不利影响,为了减小冰排对桥墩的损害,保障桥墩在正常使用阶段的安全运行,应在桥墩设计过程中考虑冰荷载,对桥墩采取破冰、减震耗能的装置.

3 结论

本文通过有限元数值模拟了冰排与桥墩的相互作用过程,发现冰排在相互作用过程中表现为非同时破坏,冰排与桥墩接触面出现锯齿现象.同时对冰排引起的冰荷载问题进行了研究分析,冰排与桥墩的接触冰力呈现不均匀分布,在冰排与桥墩接触位置桥墩出现较大应力,进一步分析冰排引起的冰力、墩顶位移以及墩顶速度等相关影响,冰荷载问题对于桥墩的耐久性以及安全性存在一定的威胁,结果显示,冰排对于桥墩产生的影响应值得重视,同时为桥墩在结构设计与运行中考虑冰荷载问题提供了参考.

参 考 文 献

[1] 齐念.冰激桥墩振动模型试验研究及冰荷载的识别[D].大连:大连理工大学,2009.

[2] 胡荣.冰与直立结构挤压破坏时的极值静冰力[D].大连:大连理工大学,2006.

[3] 陈宝喜,于天来.ANSYS在流冰对桥墩撞击仿真中应用[J].低温建筑技术,2008(4):68-69.

[4] Jones S,Tillotson J,Mckenna RF,et al.Ice-Structure Interaction[M]// Ice-structure interaction:Springer-Verlag,1991.

[5] 张连丽.锥体结构冰载荷数值模拟方法探索[D].天津:天津大学,2010.

[6] Matlock H,Dawkins WP,Panak JJ.Analytical model for ice-structure interaction[J].Journal of the Engineering Mechanics Division,1971,97(4):1083-1092.

[7] 武文华,于佰杰,岳前进,陈亮.JZ20-2NW平台抗冰性能的有限元分析[J].中国海洋平台,2007(6):25-28.