NFX|抗船撞设计-强迫振动方法

摘要

本文详细阐述了桥梁船撞效应的有限元模型计算分析方法。首先，介绍了采用强迫振动方法时，需考虑土-基础相互作用，并规范结构振型阻尼比和强迫力模型的确定。接着，详述了船舶撞击力模型的确定方法，特别针对轮船和驳船给出了计算公式和参数取值。文章还通过示例说明了计算分析的步骤，包括几何、材料处理、网格划分、边界和荷载定义，以及非线性隐式瞬态动力分析的选择和结果查看。此外，强调了抗船撞性能验算的重要性，包括强度验算和变形验算，并提供了相关计算公式和构件抗船撞性能指标的计算方法。这些内容为桥梁设计和船撞效应分析提供了全面的指导。

正文

    采用强迫振动方法时，桥梁的有限元模型应满足第6.1.3条的规定，船舶撞击作用采用强迫力模型，如图6.3.1所示。

6.1.3桥梁主体结构船撞效应计算应采用全桥结构分析模型，并考虑土-基础的相互作用。

采用强迫振动方法时，结构的振型阻尼比应按表6.2.3取值

采用强迫振动方法时，强迫力模型应按附录D的规定取值

D.2.1船舶撞击力模型（见图D.2.1）应按下列公式确定:

式中:

—船撞力时间过程（MN);

—无量纲撞击力-时间参数;

—t/T，无量纲撞击力时刻;

T—撞击力持续时间(s);

t—撞击力时刻(s);

—统计量参数，按第D.2.2条与第D.2.3条规定取值。

D.2.2对于轮船，式(D.2.1-1）的撞击力-时间参数应按下列公式确定:

式中:

a—常系数，按表(D.2.2）取值;

M—满载排水量(t);

v—撞击速度（(m/s);

—常系数，按表D.2.2取值;当船舶等级介于表列数据之间时，应先将等级换算成对应的质量，再利用表格中的质量关系线性内插确定。

条文说明

   表D.2.2中第一列是船舶的尺度或等级，第二列是统计参数时各等级船舶的计算质量。

—常系数，按表(D.2.3)取值

β—径宽比

M—满载排水量(t)，按表(D.2.3）取值

v—撞击速度(m/s)

—常系数，按表(D.2.3）取值

示例

5000(DWT)/撞击速度3(m/sec)/撞击深度1(m)

几何处理

建立各区域共面及检查几何

材料赋予

网格划分

边界定义

荷载定义

施加在撞击区域几何上

冲击力是MN×10000000，通过excel，ctrl+c，ctrl+v粘贴到程序中

分析工况定义及结果查看

选择非线性隐式瞬态动力分析

*分析时间1 sec/20增量输出

1(sec)

6.1.2船撞计算模型与方法的选取应满足桥梁抗船撞性能验算的要求。

条文说明

   复杂结构和复杂撞击过程的计算结果和计算模型、计算方法关系很大，不同的计算模型和方法又与设计人员的水平、能力以及计算时间、费用等有关，但总体而言，在计算机技术比较发达的情况下，计算分析需以满足性能验算为目的。

4.3 抗船撞性能验算

4.3.1抗船撞性能验算应分别进行强度验算和变形验算。

4.3.2抗船撞性能验算应符合下式规定:

—桥梁构件的抗船撞性能，按附录A的规定计算;

—桥梁构件在考虑船撞作用的偶然组合下作用效应设计值;

—汽车荷载准永久值。

条文说明

   本条给出了撞击作用偶然组合需要考虑的作用。明确了温度作用等不参与撞击组合，是对现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60）的补充。船撞作用属于偶然作用，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60）的规定，偶然组合各类作用的分项系数统一取1.0，参与组合的主要可变作用取其频遇值或准永久值，这里规定参与船撞组合时汽车荷载取其准永久值。美国《公路桥梁设计规范》中，船撞组合考虑了0.55倍的汽车荷载，与本条规定类似。

4.3.3柱式构件的性能等级按构件转角或塑性铰区转角划分，其界限值按应按附录A计算。

4.3.4当墙（板）式构件承受面外力时，应按柱式构件进行抗撞验算;承受面内力时，抗剪能力应按附录A计算。

附录A构件抗船撞性能指标

A.1钢筋和钢骨混凝土构件的性能指标

A.1.1 钢筋和钢骨混凝土构件抗剪承载力应按下列规定计算:

式中:

—构件的抗剪承载力设计值(kN);

—混凝土部分的抗剪承载力设计值(kN);

—箍筋部分的抗剪承载力设计值(kN);

—钢骨部分的抗剪承载力设计值(kN);

—抗剪冲击效应折减系数，取0.7;

—混凝土剪切强度(kPa);

—构件横截面的毛截面积（m²);

—混凝土28d圆柱体抗压强度标准值(MPa)，

其中为混凝土立方体抗压强度标准值(MPa);

—配筋计算系数和轴力计算系数，其中0.025<≤0.25 ;

—螺旋或环形箍筋体积配箍率;

—箍筋的抗拉强度设计值(MPa);

—构件塑性铰区的转角延性需求;

—矩形箍筋在计算方向的体积配箍率;

—加载方向的同一截面上箍筋的总截面积(m²);

—包含侧倾力的墩柱轴力(kN);

—独立的箍筋环数量;

—加载方向上截面有效剪切高度，为自受压区边缘到受拉钢筋合力作用点的距离(m);

—钢骨的屈服强度设计值(MPa);

D—钢骨的腹板高度(m);

—腹板厚度(m)。

符号的含义及单位与第A.1.1条相同。

式中:

—性能等级的界限值(rad);

k —构件极限塑性转角的安全系数，可取1.5;

a—构件性能等级系数，按表A.1.3取值。

—构件塑性铰区的极限塑性转角(rad);

—塑性铰区极限曲率( );

—塑性铰区屈服曲率( );

—塑性铰长度(m)，

=1.0H，H为计算方向截面高度。

A.2 钢管混凝土构件的性能指标

A.2.1 轴压比小于0.3的柱式钢管混凝土构件的弯曲变形性能等级应按本节规定值执确定。

A.2.2 柱式钢管混凝土构件的弯矩-转角关系应采用图A.2.2规定的双线性模型描述。

A.2.3 柱式钢管混凝土构件性能等级按构件转角划分，其界限值应按式(A.1.3-1）和式(A.1.3-2)确定，α应按表A.2.3取值。

A.3 支座性能指标

A.3.1 支座的船撞性能指标可按表A.3.1的规定计算。

表中

—永久作用产生的水平位移与船舶撞击作用产生的水平位移之和

—橡胶层总厚度;

—支座容许最大滑动水平位移;

—包括船撞作用偶然组合下支座水平力设计值;

—支座的静摩擦力;

—支座水平承载力设计值。