1.一种基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:根据桥梁抗撞与抗震规范,计算桥梁遭受船舶撞击下部结构能力值,具体包括各截面极限转角θR(x)、抗剪强度VR(x)以及顶部极限位移ΔR;
S2:建立船‑桥碰撞实体有限元模型,进行船撞动力分析;结合转角计算原理、规范公式和动力分析数据,计算被撞下部结构的需求值,具体包括各截面转角数值θS(x,t)、剪力数值VS(x,t)以及顶部位移数值ΔS(t);
S3:将前述步骤S1和S2计算得到的桥梁被撞下部结构能力值θR(x)、VR(x)和ΔR分别与需求值θS(x,t)、VS(x,t)和ΔS(t)进行对比,识别船桥碰撞破坏模式、破坏部位,获取桥梁破坏特征时刻tCP;
S4:提取船‑桥碰撞实体有限元船撞动力分析的系统能量结果,并基于S3确定的桥梁破坏特征时刻tCP,计算桥梁达到破坏状态时输入到桥梁子系统的弹塑性变形能限值ER;
S5:建立船‑桥碰撞弹塑性杆系模型,在船舶撞击位置按选定荷载步逐级施加节点静力荷载,进行拟静力分析,并提取船撞偶然作用组合下船舶撞击作用点的位移‑拟静力船撞力曲线;
S6:基于船舶撞击作用点的位移‑拟静力船撞力曲线,计算在拟静力船撞力作用下输入至桥梁子系统中的能量ES(F);根据能量等效原则,进行桥梁子系统能量ER和ES(F)判别,最终确定桥梁在船舶撞击作用下,发生步骤S3识别的破坏模式所对应船撞抗力RF。
2.根据权利要求1所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S2中船‑桥碰撞实体有限元模型包含桥梁子系统与船舶子系统,其中船舶子系统的撞击船舶选型与船撞速度根据所分析桥梁的实际通航信息确定,通过有限元分析提取船撞时程力F(t)。
3.根据权利要求2所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S2中实体有限元模型中墩底截面转角值θS(0,t)计算公式为:其中,Δy(t)—墩底与墩顶截面船撞方向相对位移,H—被撞下部结构计算长度;
当桥梁被撞下部结构简化为两端固结模型时,实体有限元模型中桥墩其他部位截面转角值采用转角位移原理计算,计算公式为:当桥梁被撞下部结构简化为一端固结一端自由模型时,计算公式为:
其中,a—船舶撞击点位置高度,b—为H‑a,E—截面弹性模量,I(x)—计算截面惯性矩。
4.根据权利要求1所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S3船桥碰撞破坏模式、破坏部位及桥梁破坏特征时刻的识别步骤为:S31:仅出现一种需求值大于能力值时,则船桥碰撞破坏模式即为此能力值所表征的破坏模式,破坏部位及桥梁破坏特征时刻由需求值的变量xmin和tmin分别确定;其中,tmin表示当出现需求值大于能力值的最早时刻,xmin为tmin时刻对应部位,以转角需求为例进行说明,即θS(xmin,tmin)≥θR(xmin);
S32:出现多种需求值大于相应能力值时,则船桥碰撞破坏模式为某种需求值最先达到能力值时,该能力值所表征的破坏模式,即min(tmin1,tmin2,tmin3)所对应的能力值,后续破坏部位及桥梁破坏特征时刻求解与S31相同;
S33:未出现需求值大于能力值时,则将初始船舶子系统按一定比例系数λ进行系统总能量缩放调整,再重复步骤S2和S3确定船桥碰撞破坏模式、破坏部位与桥梁破坏特征时刻。
5.根据权利要求1所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S4桥梁子系统的弹塑性变形能限值ER基于以下前提假设计算:忽略阻尼耗能,认为输入到船桥碰撞整体系统的总能量为最初船舶子系统所包含的动能Ek,此能量经过船桥碰撞后发生转化,一部分转化为桥梁动能Ekb和船舶动能Ekv,剩余部分转化为桥梁弹塑性变形能Eepb和船舶弹塑性变形能Eepv,计算公式为:Ek=Ekv+Eepv+Ekb+Eepb
当桥梁子系统达到某种破坏模式,此时桥梁子系统所储存的弹塑性变形能Eepb即为其破坏限值ER。
6.根据权利要求1所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S5中采用船‑桥碰撞弹塑性杆系模型进行拟静力分析时,船撞力要与桥梁所受到的永久作用、水流作用和汽车荷载作用等进行效应组合,以准确衡量桥梁遭受船舶撞击后所处状态,其组合形式为:SIM=γGSG+γFSF+γWSW+γQSQ
其中,γG—桥梁结构永久作用分项系数,SG—桥梁结构永久作用标准值,γF—船撞力分项系数,SF—船撞力标准值,γW—水流作用分项系数,SW—水流作用标准值,γQ—汽车荷载准永久值分项系数,SQ—汽车荷载标准值。
7.根据权利要求1所述的基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法,其特征在于:步骤S6中能量等效原则计算模型为:即当通过位移‑拟静力船撞力曲线计算得到的ES(F)等于ER时,取ES(F)对应的力作为船撞抗力RF。