支座类型对连续梁桥船桥撞击影响的简化分析

器桥梁工程　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

支座类型对连续梁桥船桥撞击影响的简化分析　胡　薇　（北京市政路桥管理养护集团，北京　１０００９７）　

摘要：将由ＬＳ—ＤＹＮＡ模拟得到的船一刚性墙碰撞的船撞力时程曲线输入到由ＳＡＰ２０００建立的全桥动力模型中，进行　全桥动力响应分析。分别针对设置盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座和双曲面球型减隔震支座的连续梁桥，分析船撞作用下　支座类型对桥梁关键结构响应的影响，得到了随船桥碰撞角度变化，不同支座类型的连续梁桥船撞响应的特点及规律。　研究表明，相比双曲面球型减隔震支座，设置盆式橡胶支座的连续梁桥关键结构响应最小，并且支座类型对墩结构响应　的影响远远大于对桩基结构响应的影响。　关键词：连续梁桥；船撞；碰撞角度；支座类型　中图分类号：Ｕ　４４３．３６　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７６７（２０１５）０３—００３８—０６　

Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｐａｄ　Ｔｙｐｅｓ　ｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｇａｉｎｓｔ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｂｅａｍ　Ｂｒｉｄｇｅ　

桥梁是交通生命线系统工程中的重要枢纽，近年　来，随着我国国民经济的快速发展，跨越大江大河以　及海峡的大型桥梁越来越多，同时船舶吨位、数量和　航速也不断提高，致使船桥碰撞的潜在风险Ｅｌ益增大．　国内外船桥碰撞事故频发。　船桥碰撞过程异常复杂，其受外界环境（如气候、　风浪、水流等）和船桥自身因素（船舶内部结构、撞击　速度、撞击角度、桥梁结构体系等）影响较大。对于桥梁　结构，支座连接方式对桥梁动力特性有很大影响。在桥　梁抗震研究中，桥梁结构通过设置柔性支撑和能量耗　散装置延长结构碰撞周期和耗散能量．以降低结构地　震响应ｌＩ＿　。但是在船桥碰撞过程中，支座作为上部结　构和下部结构的连接装置对桥梁动力特性的影响还　尚未有相关研究。因此笔者分析研究了不同支座类型　对连续梁桥船桥撞击的影响规律。　１船撞作用下桥梁响应的简化研究方法　为了简化分析过程和突出主要矛盾，笔者采用船一　刚性墙碰撞的船撞力时程曲线作为动力荷载输入．研　究了不同支座类型对连续梁桥船桥撞击的影响。研究　思路如图１所示。第１阶段，根据船舶吨位、船首结构　形式确定船模基本参数，并利用ＰＡＴＲＡＮ软件建立船　舶有限元模型。针对船舶在碰撞过程中表现的特性，　３８啼　技术２０１５Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３３　通过软件ＬＳ—ＤＹＮＡ研究船一刚性墙碰撞的局部效应．　得到相应的船撞力时程曲线。此过程重点研究碰撞过程　中的船舶特性，而对于桥梁结构的响应并不是关注的　重点【４ｌ，并且此过程是偏于保守的计算＿５】。第２阶段，将　第ｌ阶段得到的船一刚性墙碰撞力时程输入ＳＡＰ２０００　软件。在建立的不同支座类型的连续梁桥杆系单元模　型中进行全桥动力响应分析，输出桥梁关键部位响应，　继而进行分析得出结论。　

图１　船一刚性墙碰撞模拟流程图　２计算示例与分析　２．１船舶有限元模型　研究采用的撞击船舶为１０　０００　ＤＷＴ江海直达货　船，其特征尺寸和装载情况如表１所示。船首采用与实　际船首结构材料参数一致的弹塑性钢材进行较为精　细的模拟；由于船首以外的船身部分远离碰撞区．在碰　撞过程中基本不发生变形，该部分结构采用刚性材料　模拟并进行较粗的有限元网格划分，以节省建模工作　量和缩短计算时间。　表１　撞击船舶的特征尺寸和装载情况　ｉ　船舶　旁骚长，　型宽，　型辩　嗡誊，　载震影　簿＿水囊　～＿　一一一一．＿竺一一一＿一竺＿＿一一一竺一　…一＿　～…　一　…　一　一一一　货船　１２１．Ｏ　２０．Ｏ　９，０　６．０　４４　ｌ　９０　由于船桥碰撞是一个瞬时过程，船首钢材有较大　的应变速率，因此要考虑材料应变率敏感性的影响。笔　者采用Ｃｏｗｐｅｒ—Ｓｙｍｏｎｄｓ模型来考虑应变率，其本构方　１８０　桥梁工程器　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　程为【　】：Ｏ＇ｔ　ｅｋｒｏ＝ｌ＋（６　／Ｄ）　／ｑ，对于船首结构所采用的低　碳钢，将其应变率系数取为Ｄ＝４０．４，ｑ＝５。　整个过程采用ＰＡＴＲＡＮ软件建立模型，如图２所　示，使用ＦＥＭＢ软件做前处理，之后用ＬＳ—ＤＹＮＡ软　件作为求解器，进行船舶与刚性墙的碰撞全过程仿真　模拟。　

图２　１０　０００　ＤＷＴ江海直达货船有限元模型　２．２　３种不同支座类型的连续梁桥有限元模型　国内某连续梁桥跨径组合为５ｘ５０　ｉｎ，立面图如图　３所示。该桥采用箱梁截面，系梁联结的双柱墩、双排　桩基础形式。其桥墩立面图和侧面图如图４所示。墩　身采用直径２　ｉｎ的圆形截面，哑铃形桥台。根据桥宽，　

５　Ｘ　５Ｏ００＝２５　０００　ｌ号　２号　３号　４号　５号　

１８Ｏ　ｌ８０　．１８Ｏ　１８０　．１８Ｏ　１８０　１８Ｏ　ｌ８０　．１８Ｏ　１８Ｏ　

高　惶　蓥　

晶　ｎＪ　

显　辑　

图３连续梁桥立面图（ｃｍ）　呈ｌ　ｌ　２００　２００　＝　；＝＝：；　＝＝：；　ｊ＝　

ｌ　１００　ｌ　５００　ｌ　１００　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　

３００　２０ｏ　３ｂｏ　

５＝　；＝　『　＝５　５＝　１｛　３０　ｌ　ｌ　ｊ０　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　

ａ）立面图　

１８０　图４弓Ｉ桥桥墩立面图与侧面图（ｃｍ）　ｂ）侧面图　Ｚ０１５＃．￣３棚（５一）第３３豢，；｝荭投术３９　器桥梁工程　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

１个承台下设６根直径１．８　１ＴＩ的摩擦桩。桩身长５６．８　ｎ１．　嵌入到由中砂、细砂、粉土组成的土层中。地基土对桩　基础的作用采用六弹簧来模拟．土弹簧的刚度系数由　ＪＴＧ　Ｄ６３－－２００７（公路桥涵地基与基础设计规范》中的　ｍ法计算得到。采用ＳＡＰ２０００软件建立全桥动力计算　模型，如图５所示。承台简化为刚性体．主梁和桥墩采用　梁单元模拟，支座采用水平非线性单元模拟。共取３种　不同支座类型的全桥模型进行计算和分析。　图５动力计算模型图　１）模型１：该模型４号墩为固定墩，上部设置双向　约束的盆式橡胶支座，其余墩上设置横桥向约束的盆　式橡胶支座，船舶撞击３号墩承台，纵桥向考虑支座　摩擦力的影响，如图６所示。　图６模型１计算简图　２）模型２：模型中全部采用铅芯橡胶支座，船舶撞　击３号墩承台　３）模型３：模型中全部采用双曲面球型减隔震支　座，船舶撞击３号墩承台。　２．３　３种不同支座及其模拟参数　桥梁支座作为连接桥梁上部结构和下部结构的　重要构件，其动力特性对桥梁结构的动力反应有较大　影响，国内外许多学者对各类支座动力特性及计算模式　进行了一系列研究【　０Ｊ。桥梁支座种类很多。目前工程　４０啼荭鼓木２０１５　Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３３　中广泛应用的主要有板式橡胶支座、聚四氟乙烯滑板　橡胶支座、盆式橡胶支座、抗震性盆式橡胶支座、双曲面　减隔震支座、铅芯橡胶支座、球形支座和弧形钢板支座　等［１卜　。笔者主要研究了盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座、　双曲面球型减隔震支座对连续梁桥船桥撞击的影响。　２．３．１盆式橡胶支座及其模拟参数　盆式橡胶支座的力学性质表现为线弹性，利用聚　四氟乙烯板与不锈钢板之间的超低摩擦系数来实现　桥梁上部结构与下部结构的相对位移。其主要特点是阻　尼小，在较小的水平荷载作用下，产生的支座变位大。　模型中采用水平非线性弹簧模拟盆式橡胶支座。　被撞墩上采用的盆式橡胶支座横桥向固定，纵桥向采用　弹塑性ｐｌａｓｔｉｃ　ｗｅｎ单元模拟，水平刚度为５１　７４０　ｋＮ／ｍ．　屈服后刚度取为屈服前的１／１０　０００，平滑值取１０．以确　保计算收敛。　２．３．２铅芯橡胶支座及其模拟参数　铅芯橡胶支座是在普通橡胶支座中加入铅棒从而　提高其滞回耗能能力的减震支座。铅芯橡胶支座的滞回　曲线面积远大于普通橡胶支座，初始刚度可达其１０倍以　上，屈服后刚度接近于普通橡胶支座的剪切刚度【ｌ３　。　铅芯橡胶支座的滞回曲线成双线性。因此这种支座　采用图７所示的双线性恢复力模型进行分析。在图７　中，　为弹性阶段刚度，　为屈服位移，Ｋ。为塑性阶段　刚度，‰为速度改变符号的点，ａｙ＝Ｋｘ　为屈服剪切力。　

’　¨　

Ｅ　％　ＸＯ　／　

，，）　

图７双线性恢复力模型　模型中铅芯橡胶支座的屈服力为５６１　ｋＮ：初始刚　度为３０　１００　ｋＮ／ｍ；屈服比（初始屈服刚度和屈服后刚　度之比值）为０．１５２　８。　２．３．３双曲面球型减隔震支座及其模拟参数　双曲面球型减隔震支座属于滑动支座。由１个带　有滑动球面的上支座板、１个具有双球面的中支座板、　１个带有转动球面的下支座板和１个环形套箍组成，　如图８所示。当结构受到较小地面激励时，环形套箍　对上、下支座板的约束阻止上部结构滑动，使结构保持　稳定；当激励超过某一限度时，连接环形套箍和上支　座板的螺栓被剪断，开始出现滑动，此时，地面激励再　

次增大，但传人上部结构的作用力不会随之增大。　

图８双曲面球型减隔震支座　双曲面球型减隔震支座的动力滞回曲线类似于　理想弹塑性材料的应力一应变关系，因此笔者采用了如　图９所示的恢复力模型。在图９中，Ｆ（　）为ｌ临界滑动　摩擦力，　为上部结构与墩顶的相对位移，　为临界位　

移，一般取０．００２￣０．００５　ｍ。根据弹性恢复力最大值与　临界滑动摩擦力相等的条件，可求得临界位移值为：　

。　式中：　为滑动摩擦系数，一般取０．０２；　为支座所承　担的上部结构重力，ｋＮ；ｋ为滑移前刚度　

Ｆ【　）　＾　ｆ　？　／　７　’　ｆ　！　一，ｍ　

图９双曲面球型减隔震支座的恢复力模型　模型中双曲面球型减隔震支座恒载反力　：　６　７００　ｋＮ，摩擦系数／ｚ＝０．０２，支座曲率半径　：４　ｍ．滑　

移前刚度为４５　０００　ｋＮ／ｍ，屈服力为１３４　ｋＮ，屈服后刚　

度与弹性刚度的比值为０．０２　

２．４船舶撞击不同支座类型连续梁桥的工况设置　船舶撞桥机理相当复杂，撞击位置或撞击角的轻　微改变可能导致撞击后果发生显著变化。定义撞击角为　船舶轴线与桥墩横桥向之间的夹角。将上述船舶有限元　模型以恒定速度４　ｍ／ｓ，不同碰撞角度（０。、２。、４　ｏ、…、　

５Ｏ。）撞击上述３种连续梁桥模型　２．５全桥动力响应计算及结果分析　不同支座类型连续梁桥结构关键部位的响应随　

桥梁工程韶　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

碰撞角度变化趋势曲线，如图１０～１７所示。　

蚕　厘　鞲　颦　

蠼　鍪　

嘣　

０　Ｏ４５　０．０４０　蠢０．０３５　０．０３０　Ｊ五．　

０．０２５　

０．０２０　幅０，０１５　０－０ｌ０　０．００５　０．０００　

０　１０　２０　３Ｏ　４０　５０　船桥碰撞角度／（。）　

图ｌＯ最大船撞力曲线　

０　１０　２０　３０　４０　５０　船桥碰撞角度／（ｏ）　

图１１最大承台横桥向位移　

０　１０　２０　３０　４ｏ　５０　船桥碰撞角度／（。）