Trans. Tianjin Univ. 2014, 20: 250-256
DOI 10.1007/s12209-014-2216-8
Numerical Simulation for Progressive Collapse
of Continuous Girder Bridge Subjected to Ship Impact *
Tian Li (田 力)1,2, 3，Huang Fei (黄 飞)1
(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, the University of Manchester, M13 9PL, the United Kingdom; 3. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China)
copy; Tianjin University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014
Abstract：The three-stage simulation method based on LS-DYNA was introduced in this study to simulate the pro-gressive collapse of a continuous girder bridge after a ship-bridge collision. The pile-soil dynamic interaction and the initial stress and deformation of the whole bridge before the collision were considered. By analyzing the damage, de-formation, stress distribution and collapse process of the whole bridge, the results show that the displacement response of the cap beam lags behind the pile cap. The response order of the whole bridgersquo;s components depends on their dis-tances from the collision region. The plastic deformation of soil around piles has a positive effect on delaying the fur-ther increase in the displacement of piles. The impacted pierrsquo;s losing stability and its superstructurersquo;s excessive defor-mation are the main reasons leading to the progressive collapse of the continuous girder bridge.
Keywords：numerical simulation; progressive collapse; ship-bridge collision; continuous girder bridge; pile-soil in-teraction
With the rapid development of transportation indus-try, the number of sea-crossing and river-crossing bridges is increasing, which brings much convenience and leads to many ship-bridge collisions as well. According to in-complete statistics, the number of the worldrsquo;s large bridges destroyed by ship impacts has exceeded 30[1].
Liu et al[2,3] analyzed the collision process between a 40 000 DWT (dead weight ton) ship and a cable-stayed bridge using MSC/DYTRAN software and simulated the head-on collision process of the whole ship with the whole cable-stayed bridge. Consolazio and Cowan[4] put forward a coupling model for ship and pier. Wang and Chen[5] gave the crush history of a bridge pier based on the analysis of parameters of Johnson_Holmquist_ Con-crete (HJC) material model and drew a conclusion that the collision force decreases with the increase in pier damage. Tian and Zhu[6] simulated the collision process of a 2 600 DWT oil tanker with the substructure of a rail-road bridge. Jiang et al[7] simulated the progressive col-lapse of a continuous girder bridge after ship impact. It can be concluded from the above studies that the complex interaction between the upper structure and pier is nor-
mally simplified to a vertical load and the favorable ef-fect of soil is not considered. Especially, little research has been done on the progressive collapse of a continuous girder bridge considering the pile-soil interaction under ship impact.
Considering the dynamic interaction between pile and soil, this study simulated the collapse of a continuous girder bridge by three-stage simulation method[8], repro-duced the collapse process, and analyzed the dynamic response and the collapse mechanism of the whole bridge under ship impact.
1 Material constitutive models
The HJC material model available in LS-DYNA can be used to present the mechanical behaviors of concrete under high stress and large deformation[9]. On the one hand, it is difficult to obtain the reinforcing bar distribu-tion of the collapsed bridge, and the computed results of HJC material model show good agreement with the ex-
perimental results, although the tested concrete did have rebar[10]. On the other hand, this material model has been
Accepted date: 2014-01-17.
*Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51178310) and the Foundation of China Scholarship Council
(No. 201308120137).
Tian Li, born in 1970, male, Dr, associate Prof. Correspondence to Tian Li, E-mail: ltian@tju. edu. cn.
Tian Li et al: Numerical Simulation for Progressive Collapse of Continuous Girder Bridge Subjected to Ship Impact
widely used to build the smeared model for bridge[11,12]. So the HJC material model was adopted to simulate the bridge in this study. The parameters of the HJC material model after modification are listed in Tab. 1.
Tab. 1 Parameters of HJC material model after modification
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Trans. 天津大学. 2014, 20: 250-256
DOI 10.1007/s12209-014-2216-8
连续梁桥由于船舶撞击而引起的渐进崩塌的数值模拟*
Tian Li (田 力)1,2, 3，Huang Fei (黄 飞)1
(1. 天津大学土木工程学院，天津300072,中国；2。学校机械、航空航天、土木工程、曼彻斯特大学、M13 9PL，英国；3。天津大学海岸土木结构安全教育部重点实验室，天津300072)
copy;天津大学和施普林格出版社柏林海德堡2014
摘要：基于LS-DYNA的三阶段模拟方法模拟了船桥碰撞后连续梁桥的渐进崩溃。桩土动力相互作用及初始应力和整个桥梁的变形在碰撞之前已经被考虑过。通过对全桥的损伤、去形成、应力分布和破坏过程的分析，结果表明：帽梁的位移响应滞后于桩帽。整个构件的响应顺序取决于他们和碰撞区的距离。桩土的塑性变形对桩土的桩身位移的影响有着积极的作用。船舶撞击造成的桥墩的失稳和上部的过度变形是导致连续梁桥倒塌的主要原因。
关键词：数值模拟；倒塌；船撞桥；连续梁桥；桩土相互作用
随着交通运输业的快速发展，跨海和跨河桥梁数量不断增加，带来了很大的方便，同时也导致了许多船撞桥事故。据不完全统计，受船舶撞击破坏的世界大型桥梁数量已超过30[1]。
刘先生[2,3]等人分析40 000吨之间的碰撞过程（载重吨）船舶和斜拉桥的应用MSC / DYTRAN和整个斜拉桥软件，模拟了整个船舶的碰撞过程。孔索拉齐奥和考恩[4]提出了船舶和码头的耦合模型。王先生和陈先生[5]通过对混凝土材料模型具体参数分析而给出了一个桥墩粉碎的过程，得出结论：碰撞力随桥墩损伤的增加而减小。田先生和朱先生[6]模拟2600吨油轮与铁路公路桥梁下部结构的碰撞过程。江先生等人[7]模拟连续梁桥受船舶撞击后的连续塌陷。通过上面的研究可以得出结
论，上部结构和墩台之间复杂的相互作用通常
被简化为竖向荷载，土的有利影响一般是不考虑的。特别是，一些研究已经在考虑船舶撞击作用下桩土相互作用的连续梁桥的倒塌了。
考虑到桩土之间的动力相互作用，所以采用了三阶段模拟法[8]，本研究模拟了连续梁桥的倒塌，再产生崩溃的过程，并分析了动态响应和全桥在船舶撞击作用下的破坏机理。
1 材料的本构模型
混凝土材料模型可在LS-DYNA可以用于展现混凝土在高应力和大变形[ 9 ]下的力学特征。一方面，要获得倒塌的桥梁钢筋的分布是很困难的，同时混凝土材料模型计算结果与实验结果吻合良好，虽然测试混凝土有钢筋[10]。另一方面，这种材料模型已被广泛用于建造桥梁[11,12]分布式模型。所以，混凝土
数据日期: 2014-01-17.
*来源于国家自然科学基金资助项目（51178310）和中国学术委员会基金会
（201308120137）。
田丽，1970生，男，博士，副教授
电子邮件：ltian @ TJU.edu.cn。
田丽等进行连续梁桥在船舶撞击作用下的渐进崩塌的数值模拟
材料模型已被用于模拟研究的桥梁。修改后的模型和材料参数列于表1.
表1 修改后的混凝土模型参数和材料
|
0 /(kg m -3 ) |
G /GPa |
A |
B |
C |
N |
fc /GPa |
|
2 440 |
14.86 |
0.79 |
1.6 |
0.007 |
0. 61 |
0.048 |
|
T/GPa |
f ,min |
Smax |
Pc /GPa |
c |
Pl /GPa |
l |
|
0.004 |
0.01 |
7.0 |
0.016 |
0.001 |
0.8 |
0.1 |
|
0 /(kg m -3 ) |
G /GPa |
A |
B |
C |
N |
fc /GPa |
|
2 440 |
14.86 |
0.79 |
1.6 |
0.007 |
0. 61 |
0.048 |
|
T/GPa |
f ,min |
Smax |
Pc /GPa |
c |
Pl /GPa |
l |
|
0.004 |
0.01 |
7.0 |
0.016 |
0.001 |
0.8 |
0.1 |
|
D1 |
D2 |
K1 /GPa |
K2 /GPa |
K3 /GPa |
E/GPa |
0 |
|
0.04 |
1.0 |
85 |
－171 |
208 |
35.7 |
10-6 |
用莫尔-库仑定律描述的Mat_Drucker_Prager材料模型由德鲁克和普拉格在1952年改进[9]，改进后被用来模拟土壤。本文中使用的土的材料参数列于表2。
表.2 土壤材料参数
|
/(kg m-3 ) |
E /MPa |
|
摩擦角 |
凝聚力/kPa |
|
1 890 |
210 |
0. 35 |
0. 253 |
18. 0 |
线性强化弹塑性材料模型，即基于考珀西蒙兹本构方程的Mat_Drucker_Prager材料模型[9]，其包括淬火应力材料的初始屈服，这个模型被用于模拟船艏的钢材料。屈服应力的表达式可以在文献看到。这种材料模型的参数列于表3
表3 船艏的材料参数
|
/(kg m-3 ) |
E /GPa |
|
0 /MPa |
Et /GPa |
C /s1 |
P |
effp |
|
|
7 850 |
206 |
0. 3 |
235 |
1. 18 |
40. 4 |
5 |
0. 34 |
0 |
值得一提的是，船上除了船艏的其他部分由于远离碰撞区，只为全船提供了刚度和质量。为提高计算效率，根据参考，这部分的材料模型改为Mat_Rigid
2 数值模型
- 船舶有限元模型
根据实际尺寸和3 000吨散货船的主要结构形式，建立如图1所示的整船有限元模型。用来撞击的船舶的尺寸列于表4。
由于船艏的实际结构是复杂的，这所以部分已经采用壳单元模拟所有平板，简化主甲板、甲板、船体外板、横舱壁。详细参数和船艏的内部结构如图2所示。所有的壳单元的厚
图.1 3000吨货船的有限元模型
表.4 撞击船舶的的主要尺寸
|
长度 / |
宽度/ |
高度 / |
吃水深度 / |
载重 / |
排水量/ |
|
m |
m |
m |
m |
t |
t |
|
145. 3 |
19. 3 |
12. 8 |
8. 3 |
3 000 |
4 570 |
度被假定为20毫米。船的船头的最大网格尺寸为200毫米，而后面部分的最大网格尺寸为800毫米。整个船舶模型包含406个45个元素，038个30个元素分布在船上。船舶的有限元模型如图3所示。
图. 2 船舶内部结构（半）
图. 3 船舶有限元模型的网格划分
图4显示了船舶在刚性壁面碰撞过程中的能量变化。这艘船的动能被转移到势能，而总能量是守恒的，沙漏能只占一小部分（低于1%）。可以从碰撞的结果看出（图4所示），碰撞力曲线是高度非线性的几个波峰最大值达
图. 4 船舶刚性壁面碰撞能量曲线
—251—
天津大学学报 Vol.20 No.4 2014
到30这比王先生等人的结果要大得多[13].。
和宽度的两倍，而垂直尺寸应通过桩端条件确定。
图. 5 船舶碰撞力曲线的研究
（3 000 DWT，3.5米/秒）
- 连续梁桥有限元模型
这是一个连续的梁桥，长度为450（50times;9）米，其柱墩由桩帽、墩柱和帽梁组成[14]，基岩埋深深度为2米。作为码头6 #，7#和8 #远离碰撞区，所以只建立了前五个墩桩周围的土体有限元模型。整个桥模型如图6所示。
图. 7 桥墩局部有限元模型
图. 8 在LS-DYNA的粘弹性边界
图. 6 全连续梁桥模式l
混凝土及其增强作用的HJC材料模型模拟（表1）。此外，HJC模型材料的破坏准则被定义的最大主应变和最大剪应变失败根据参考文献[ 15 ]和参考文献[ 16 ]。经过初步计算，这些参数最终分别定为0.04和0.9。在箱梁底与帽梁顶设7个简化的盆式橡胶支座[7]。桥墩局部有限元模型如图7所示。
在这项研究中使用了粘性弹簧人工边界[17]。首先，土壤边界被定义为粘性边界[18]，然后，在三个方向上的线性弹簧单元建立在边界节点（见图8）对土壤边界弹性变形的可恢复特性模拟。刚度系数可以根据参考文献[ 17 ]计算。结果表明，土的平面尺寸可由设想性计算得到
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[150483]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
