船舶撞击下跨海桥粱结对构损伤识别研究.doc.doc

船舶撞击下跨海桥粱结构损伤识别研究->第一章绪论1.1课题的研究脅景与意义1.1.1研究背景随着我国经济建设突飞猛进的发展，交通运输业的发展越来越快，与此同时，大量高技术、大跨径、高投入的跨海越江大桥如雨后春夢般纷纷修建起来。在21世纪的第1个10年中，我国先后建成了多座世界级的大型桥梁，长江中下游和东南沿海成为建设大型跨海越江轿梁的主战场。据统计，截至2001年底，我国主要通航河流上的桥梁总计为474座，其中长江水系156座，珠江水系111座，黑龙江水系10座，京杭运河45座，其它河流为152座。截止2005年10月2，长江宜宾至上海江段已建成通车的特大型桥梁有53座，在建的桥梁18座(不包括规划中或设计中的桥梁)，筹建的桥梁10座。从目前的发展和规划来看，未来世界范围的跨海大桥建设的总体趋势是：在通航等级更高的宽阔海域建桥，要求基本满足超大吨位巨轮航行安全；受技术与经济条件制约，不仅要求主通航孔桥梁的跨越能力更强，而且会更多釆用施工便捷的预制梁桥来实现宽阔海域的非通航孔布设；在更为严梭的气候、地质、水文和通航繁忙的条件下，要求桥梁有抵抗船舶碰撞能力和灾后迅速修复的能力3。与此同时，随着港口开发和航运业的大发展，我国沿海航道的通行密度及船舶吨位也不断提髙。据报道4，仅“十一五”期间，我国沿海港口就建成深水泊位661个，新增通过能力达30亿吨，2010年沿海港口完成的货物吞吐量巳是2005年的1.8倍，预测2020年将达到75亿吨5。众多跨海越江桥梁的建立，一方面给国家或地方带来丰厚经济利润，另一方面却影响着船触运输的安全。对船舶航行来说桥梁无疑是一种障碍物：跨海越江桥梁的建成会使桥区环境发生改变，如水流流速、风速、弯道、冲刷、游积、潮位等，而随着造船技术的发展，现在的通航船舶也开始变得愈来愈快，愈来愈大。随之而来的是，船舶撞击桥梁的灾难性事故曰益增多，事故对人们的生命财产往往会带来重大损失。因此随着综合交通运输体系的完善，船舶碰撞桥梁的致损事故也渐渐成为桥梁建设管理部门和社会各界十分关注的重要欠害事件。由国际航海协会常务会议PIANC第19工作组建立的船撞桥国际数据库收集了将近151起重大船撞桥事故，这些事故主要发生在曰本、北欧国家、美国、法国、德国、荷兰、比利时和英国等国家。据统计自1960至2002年，国外因船舶撞击而导致桥梁损伤或严重破坏的事故达32起7,平均不到1年就有一座桥梁因船碰撞致灾，如2002年5月，在美国俄克拉马州，因为拖轮失去了控制，两艘空驳船撞击上陈肯色河公路大桥，桥梁部分姆塌，使得繁忙的40号州际调整公路在维修6个月后才得以重新开放8。我国由于船撞事件造成已建和在建桥梁损伤、破坏及至倒塌的事故也不断发生，武汉长江大桥自从1957年建成以来，大约发生了 70多起船撞桥事故9。2007年广东九江大桥被偏离主航道的运沙船撞击非通航孔桥缴，造成3个桥墩倒塌和200M桥面姆塌，造成很大的社会影响，也促使交通行业开始探讨是否可在设计规范中增加非通航孔桥梁按水深设防的条款，在随后的既有结构修复过程中，通过对受撞桥墩基础和塌梁进行损伤探查后，釆用了放弃部分原桥墩的重建方案，从既有结构评估、重建方案制定到最后建成耗时两年。国内多座跨海大桥在建设和运营过程中也都曾发生过不同程度的船舶撞击事件，2008年由于船舶错误行驶偏离航线，7122吨的“勤丰128”货轮误撞在浙江金塘大桥，导致刚刚架设的两片60米跨预制箱梁姆落，桥墩局部破损，在对破损结构进行了近一个月的探伤检测和墩台修复后，桥梁重新开始架设施工，并在该处加装了结构长期健康监测系统。1.1.2研究意义国际上对于船撞桥问题的系统研究起始于20世纪80年代初，IABSE在1983年召开了第一次关于船桥碰撞研究的国际研讨会随后国内外学者在船撞风险分析和船桥撞击力领域开展了大量研究，提出了用于设计的桥梁防撞风险评估方法和撞击力取值方法，并开始制定了相关设计规范。1991年，美国道路工程师协会（AASHTO)发表了第一部桥梁受船撞的设计指南12,我国也分别在铁路（2000年）和公路（2004年）设计规范中难出了船撞力的设计取值计算方法。20世纪90年代，随着大型跨海桥梁的兴建，国内外学者结合船桥撞击力分析，开展了大量桥梁防撞技术研究，提出了设置筑岛围堪、独立防撞墩、防撞套箱、浮式柔性防撞等诸多结构性措施13。.1.2国内外船桥碰撞事故1.2.1国内船桥碰撞事故2013年8月6曰，一艘河北籍满载砂石的5000吨级货船"茂韵1号”撞上椒江大桥护桥墩，导致货船前船破损进水沉底。2013年8月10号，一艘清远籍运砂船行经顺德潭州水道，在通过105国道林头大桥时，由于逆水航行动力不足，失控撞上大桥桥墩。事故未造成人员伤亡，但桥墩受损，事发后相关部门已对桥体进行检测，林头大桥广州往顺德大氣方向也封闭部分机动车道为大桥减负。据桥梁业主单位介绍，受撞击影响，大桥的一个桥墩受损，一条联系梁出现一道数十厘米长的裂缝，见图1-3。2013年8月16日，一徐州籍船队经过兴化市戴蜜镇车路河时，撞上了端午桥桥桩，导致桥梁樹塌，见图1-4。 2013年5月12日，一海轮碰擦南京长江大桥六孔、七孔之间的桥墩后，在大桥下游3.5公里处的北岸岸边浅滩附近水域沉没。见图1-52012年05月23日，刚下水的五星级豪华邮轮“明珠七号”从風江下游通过温州大桥时，和大桥发生到擦，大桥底部中间部位有明显撞击刮擦痕迹。大桥箱梁局部“受伤”：梁板混凝土局部脱落，钢筋外露，横系梁边角别损，擦痕贯穿整个梁底见图1-6。 2006年8月11日，大约中午12点钟左右，位于浙江宁波发生了一起严重的船撞事件。"7历青快车”号一艘来自新加坡的货船的右船般撞上正在建设施工中的杭州湾跨海大桥，大桥被撞位置却是引桥端部的一个结合部，巨大的船撞力使被撞位置的混凝土墩身和承台还有箱梁结构都遭到严重的损伤，经调査，该船撞事故是由于涨潮，船走锚而失去控制，原本停泊着新加坡的货船被水流冲下，结果撞上了跨海大桥。此次事故对杭州湾跨海大桥的建设施工造成了非常大的影响，经济损失高达一千多万元人民币。.1.2.2国外船桥碰撞事故美国当地时间2012年1月27日晚间，肯塔基州南部发生水路交通事故，一艘大型货船在穿过一座近百年大桥时发生碰撞，由于桥梁钢架年久老化，被. 撞桥身整段断塌。货船上装有火箭助推器组件，但所幸在事故中未受到损坏。见图1-7->。2007年11月7日，"中远爸山”号货轮撞上美国旧金山大桥。尽管船撞事故没有对旧金山大桥带来严重损坏，但是在撞击过程中，巨大的撞击力将船体右侧撕裂出长达三十米的大裂缝，导致船内装载的二十二万升的重油直接泄漏进旧金山湾区。该起事故是最近20年来最严重的漏油事件。2002年8月，一艘载满原油的货轮与圣彼得堡的一座大桥桥墩发生相撞，导致船上的部分燃油泄漏于涅瓦河中，漏油事件对当地环境有一定程度的污染。该事故原因经过调查发现是由于机械故障，导致船撞上桥墩。据美国华盛顿邮报，2002年5月26号，一艘空驳船拖拉着两艘运油船于凌晨撞上了美国俄克拉阿肯色河上一座大桥的桥墩。大桥桥面混凝土随即断裂，造成大约180来长桥体姆塌。7至9辆汽车坠入乌黑浑油的河水中中，致使多人遇难。产生的经济损失多达一千五百万美元。1993年，位于美国亚拉巴马州莫比河的CSX铁路大桥，惨遭到一支驳船船队严重撞击。持续时间较长的巨大撞击力迫使铁路大桥产生不可恢复的较大变形和位移。事故发生后的几分钟恰有一列火车驶至大桥，铁路大桥较大变形讲致使火车运行出轨，列车上四十七名乘客罹难。经过调查发现主要是天气原因使得船队行驶偏离了原航道，引起撞桥事故的发生。全世界范围内船桥碰撞事故中损失最大的该属美国的阳光大桥被撞。1980年5月位于美国佛罗里达州的阳光高架桥被一艘三万五千吨散装货船撞击。被撞桥敬下的四根桩基彻底损坏，由于被撞部位是主墩，导致缴的南面桥面倒塌沉入水中。该起事故导致三十多人死亡，挢梁倒塌引起的损失高达2.5亿美元。.第二章桥梁桩基数值分析方法探讨2.1引言由于桩基础有着稳定性好、沉降量小、对地基的适应能力强的特点，在轿梁以及高层建筑等工程结构中得到广泛的应用。近年来，国内跨海大桥建设也多釆用控基础；而过去针对桩-土共同工作的分析研究多是针对桩基竖向承载力和桩顶发生桥梁纵向位移所开展的。而实际上，从最近的工程调研来看，海域桥梁桩基还要承受船舶碰撞、海浪及海喷等灾害性横向力的作用，对桥梁桩基的横向抗破坏能力提出了更高的要求。研究人员对桩土接触数值分析方法已开展了大量的研究工作。Lei等人66通过接触面单元立了桩土接触面体系的有限元模型，考虑土体本构关系和桩土接触的高度非线性。阙水杰等人67有限元模拟桩基时考虑非线性桩-土关系，釆用等效桩法，等效桩的长度取为8倍桩径，下端刚性固结。桩土相互作用简化釆用连续分布的水平弹簧和枯滞阻尼器模型来模拟。虽然研究人员釆用数值分析方法研究桩土共同作用已取得了大量有价值的成果，但是由于利用大型通用软件ANSYS进行数值模拟与实际情况相比难免存有误差。以往的研究都忽略挑选相对最优的桩土数值分析方法，用来减少因为数值方法本身造成的误差，本文针对上述提到的三种桩土接触常用方法，在横向荷载作用下进行Ansys数值模拟分析，并分别与某预应力混凝土管桩现场荷载试验数据对比，分析探讨哪种方法更具优越性。.2.2桩土数值模拟理论2.2.1单牲水平受力分析研究水平荷载桩的工作性状，实质就是研究桩土相互作用。不论桩是上段露出地面以上还是完全埋置被（埋床法施工），都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载。在横向荷载作用下，上部结构把水平荷载和弯矩传到地面处的桩截面上，进而此处截面出现換曲和水平位移，桩周土开始发挥抗力，而桩身中性点位置基本保持不变，这时荷载与桩身位移呈近似线性关系。随着横向荷载和弯矩继续加大，上部桩侧的土体开始发生塑性变形，土体的抗力也继续增大，可桩身中性点位置逐渐下移，这时荷载与桩身位移呈现非线性关系。当水平荷载以及弯矩增大到桩上部土体发生屈曲时，中性点位置继续下移。当桩侧下部土体发生屈曲时，桩即达到了水平极限承载力。常以桩顶水平位移达到一定值或桩侧土出现明显破坏作为极限承载能力的标志。从变形的角度看，当土体变形达到桩体不能容许的程度或者桩周土开始失稳时，桩土便发生破坏。按照土体与桩相对刚度的差异，可把水平荷载状态下的桩土工作状态和破坏机理大致分为两类：一类为刚性短桩，由平移或者转动发生失稳破坏；另一类是弹性长桩，由转动失稳、換曲而破坏。目前桩土共同作用分析方法主要有四类：弹性理论法、极限地基反力系数法、弹塑性地基反力法和数值分析法。由于土体的复杂性，单纯从理论上对桩基受力特性分析解答具有一定的难度，而数值分析方法能适合复杂的地质条件和受力形式等优点，可以不同程度解决涉及桩土非线性和螺变中存在的一些问题，逐渐成为解决岩土工程一种重要手段。.第三章船桥碰撞数值模拟研究.373.1弓丨言 373.2显式非线性有限元 ANSYS/LS-DYNA.373.2.1基本控制方程.373.2.2接触碰撞理论.393.2.3显式与隐式的分析比较.423.3 ANSYS/LSDYNA 数值模拟.423.3.1模型试验有限元分析.433.3.2材料的本构模型.483.3.3仿真过程中需要注意的问题.503.4不同种工况下结构损伤情况.523.4.1正向撞击承台.533.4.2正向撞击梁身跨中位置.603.5本章小结.66第四章船轿碰撞试验研究.68->4.1引言.684.2模型设计和制作.684.2.1模型设计.684.2.2模型制作.714.3试验方案.714.3.1测试内容.714.3.2测试仪器设备.724.3.3加载方案.724.4模型材料参数的校核.754.4.1钻芯法检测混凝土强度.754.4.2混凝土弹性模量的校正.774.5试验结果对比分析.784.5.1模态分析对比.784.5.2撞击承台试验结果对比分析.814.5.3撞击梁试验结果对比分析.834.6本章小结.86第五章桥梁结构损伤识别5.1引言桥梁在正常使用阶段，由于环境腐烛、外力碰撞、材料老化等因素影响，会出现不可避免的损伤。结构的局部损伤如不及时识别和修复，可能导致结构整体破坏而造成重大工程事故。为能确保结构安全使用，对结构及时迅速地确定损伤位置和损伤程度提出了迫切的需求。损伤检测技术起初应用于航空、机械、航天工业上，随着计算机技术、振动理论、现代测试仪器和信号处理技术的迅速发展，结构损伤识别以其经济有效、能够快速探测结构隐蔽部位缺陷和反映结构整体性能等优点在土木工程中得到广泛的应用。.5.2基于秩的损伤识别理论目前，可以把常用的结构损伤识别方法分为以下几类：基于模型修正的结构损伤识别方法、基于动力指纹的分析方法、基于人工智能的方法、基于概率统计的识别方法、基于小波分析和信息融合的方法等。其中模型修正方法是一种系统识别方法。通过试验获得振动响应数据，然后对刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵进行相应的修正而得到一组新的矩阵，把新的矩阵与实测的振动响应数据匹配，经过分析计算就可以得到一个更加精确的有限元模型。根据最优化约束条件、目标函数和优化方法可以把模型修正方法分为以下几大类：灵敏度分析法(sensitiviyt basedMethods)、最优矩阵修正法(optimalMartix UPdating Methods)、混合法(HybridMatrixUPdatemehtods)、特征结构分配法(EigensurteuertAssign工nentMethods)等。最优矩阵修正法主要为最小范数理论和最小秩扰动理论。通常结构损伤会在结构中的少数区域产生，而最小秩扰动法对更新矩阵的秩的限制与实际情况相比最符合，所以，基于秩的损伤识别具有其独特的优越性。杨秋伟94建立了以结构的损伤与系数矩阵秩变化的对应关系，且联合利用柔度扰动新方法和最小秩提出了一种精确识别损伤的方法。和过去的最小秩方法相比，该方法属于静力方法，利用了结构的静力荷载作用下的反应参数来确定损伤位置。而过去的最小秩方法属于动力方法，需要结构的动力反应参数。而对于大型土木工程结构来说，却很难测量出精确的振动数据。相比而言结构的静力测诚数据只和结构的刚度有关，且一般都很容易精确测量，所以静力方法在土木工程领域有着很广泛的应用前景。.第六章结论与展望6.1结论本文以东海海域某跨海大桥的非通航孔为工程背景，试图通过对船桥碰撞损伤机理进行分析，获取船舶撞击下的结构反应，深入研究基于碰撞全过程的构件损伤。本文首先以三种简化处理桥梁桩基与土共同作用的数值模型为研究对象，对比分析哪种简化效果更好。然后把这种方法运用在下阶段的全桥碰撞中。通过充分考虑船桥碰撞过程中船、水、基桩、橡胶支座这些系统因素的相互作用，对船桥碰撞的复杂多元祸合动力系统进行非线性动态数值仿真研究。精确模拟整个撞击过程中冲击力传递、变形协调。并开展碰撞耦合系统的多工况数值分析研究。而后建立缩尺船撞桥试验，以数值模拟的工况为依据，进行船桥碰撞试验，分析桥梁构件在撞击过程中局部破损、开裂、梁偏位情况。最后再对船撞桥后，通过自振频率和梁偏位情况来定性判断损伤。并通过秩的损伤识别来定量判断损伤情况。得出的主要结论有：(1)利用ansys中的专门模拟岩土的DP材料和3D接触单元对桩基进行模拟，考虑了桩土相互作用的内界面和桩土的实际几何尺寸，并通过正确的定义桩土参数调节收敛，得到与静载试验相吻合的模拟结果，说明接触单元能较好的模拟桩土相互作用，模拟结果安全可靠，可以用来指导设计。(2)等效弹簧法的概念简单明确，相对于有限元法，它的计算量大大减少，计算效率很高。但是假设相对粗梭，没有考虑到桩土之间的滑移，是一种近似的算法，因此等效弹簧法的计算精确度不如有限元法高。m值并非是一个确定的参数，而是随着水平荷载的增大而减小，这主要是由于桩测土的非线性引起的，即装周土体随着外荷载的增大而发生软化。 (3)目前大多数釆用的八倍等效桩径法偏于保守，计算偏于安全。可是由于其计算简单、粍时短的特点，很多桥梁工程上依旧釆用八倍桩径等效模拟.本文得出对于小于100KN的水平荷载作用下，完全没有必要按照八倍桩後进行等效，过于保守的计算往往会造成设计保守或结构反演分析失真。(4)采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件可以成功模拟船桥碰撞的结构损伤和应力应变过程。可以仿真模拟结构间相互变形接触和自身变形接触。可以比较精细->的再现碰撞过程中动力学过程，对内部的应力应变曲线以及撞击力可以方便提取。通过模拟船桥碰撞，对了解、分析碰撞事故有很大的帮助。(5)正向撞击桥墩时候，随着速度的增加，损伤的位置依次出现在：承台与船撞击位置的混凝土失效、承台与墩身相连处混凝土失效、承台与桩基根部处应力超标。正向撞击桥梁时候，随着速度的增加，损伤的位置依次出现在?.撞击梁位置的局部破坏、梁的变位、梁的侧向弯曲破坏。根据损伤位置的出现位置，可以简单的反推出船速的大致区间以及桥梁损伤的程度，对于船桥碰撞快速检测评估有一定的帮助。(6)通过引入失效准则*MAT_ADD_EROSION并定义PFAIL(静水压力），来模拟混凝土单元的破坏。混凝土破坏常常发生于拉伸破坏或剪切破坏。由于混凝土剪切强度不好获取，以抗拉强度（参照JTGD62-2004)作为混凝土破坏准则。通过仿真结果来看，能够比较理想的模拟出混凝土损伤。(7)通过模拟，发现在碰撞过程中，墩身很难发生损伤，这就指出船与承台碰撞后损伤的重点部位不会是墩身。往往损伤发生在承台以及承台与桩基的连接处。并且在撞击之后，梁往往会有一定的偏位，如果如果不及时修复的话，对整个结构的承载力将造成很大的影响。(8)通过模态分析，数值模型可以很好地模拟出一阶模态，其与试验值误差保持在4%下，具有很好地吻合性。通过应变、撞击力、加速度、位移等比较，其模拟值与实际值误差在能接受范围内，尤其是撞击力的模拟可以达到很精确的模拟。所以通过实际轿梁非通航孔建数值模来模拟船桥碰撞，不仅可以快速精确的确定出实际的撞击力情况，还可以模拟出混凝土损伤、梁的位移等情况，具有很好的实际应用价值。.