一种基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法

1.本发明属于桥梁安全技术领域，具体涉及一种基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法。


背景技术：

2.跨航道桥梁遭受船舶撞击事故近年来频发，船桥碰撞事故一旦发生，轻则导致结构损伤、影响结构正常服役安全，重则造成桥梁结构倒塌、严重危害生命财产安全。因此，准确得到船舶撞击作用下桥梁的船撞破坏模式、破坏部位和抗船撞能力，对桥梁结构抗撞设计与防护加固至关重要。
3.目前，桥梁抗船撞能力多用设防船型进行表征，即桥梁结构能够抵御的最大碰撞船型，其一般通过有限元仿真分析和经验方法确定。然而，设计防撞船型指标无法给出相应桥梁破坏模式以及实际工程设计中所需要的分析参数，使用极为不便。因此在实际工程中，多采用等效静态船撞抗力(以下简称船撞抗力)来量化桥梁结构抗撞能力，即桥梁可以承受的最大侧向碰撞荷载。目前船撞抗力确定方法主要有等效静力计算方法和pushover推覆分析法：其中等效静力计算方法实施时将动态船撞过程等效成一个静力荷载，通过静力荷载作用在桥梁模型中引起的响应与原始结构自身抗弯、抗剪强度对比，从而确定桥梁船撞抗力。pushover推覆分析法实施时在结构计算模型船撞作用位置施加拟静力船撞荷载，设置迭代步逐级单调加大荷载，使结构在某一迭代步达到预设状态，并以该迭代步对应的静力荷载作为桥梁船撞抗力。但由于桥梁结构船撞响应表现为时间的函数，而现有方法一方面无法考虑冲击荷载作用下结构的损伤特征，另一方面没有考虑船撞动力荷载可能带来的结构响应放大效应。现有船撞抗力确定方法的以上不足会导致得到的船桥碰撞破坏部位及破坏模式可能与真实情况不相符，更为重要的是还会导致船撞抗力计算结果和实际桥梁抗船撞能力之间存在较大差别，严重影响跨航道桥梁的抗船撞设计和防护加固工作。


技术实现要素：

4.本发明提出一种考虑船桥碰撞破坏特征、反映船桥碰撞动力本质的船撞抗力计算方法。此方法可以有效解决传统等效静态船撞抗力计算方法中无法考虑结构冲击损伤特征和结构响应动力放大效应等两大问题，使等效静态船撞抗力计算结果科学可靠、具备更好工程实用性。
5.本发明提出了一种基于能量等效的桥梁船舶撞击多破坏模式抗力计算方法。第一步，计算被撞桥梁下部结构三大能力值：各截面极限转角(判断是否发生弯曲破坏)、抗剪强度(判断是否发生剪切破坏)和顶部极限位移(判别是否发生落梁破坏)；第二步，进行有限元数值分析，获取被撞桥墩各截面在船撞作用下各时间点动态的转角、截面剪力和顶部位移数值，并与第一步能力值进行对比，从而确定船撞作用下桥梁下部结构破坏位置、破坏模式和破坏特征时刻，并计算桥梁处于破坏状态时输入到桥梁子系统的弹塑性变形能。第三步，以桥梁系统储存的弹塑性变形能为核心，基于能量等效原则，建立了船桥碰撞非线性响
应与静态船撞抗力之间关系，进而计算等效静态船撞抗力，使得计算结果更加科学、合理。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法，包括以下步骤：
8.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；
9.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)；
10.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t
cp
；
11.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t
cp
，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；
12.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；
13.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。
14.上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，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)。
15.上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，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：
[0016][0017]
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。
[0018]
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：
[0019][0020][0021]
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：
[0022][0023]
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。
[0024]
上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，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：
[0025]
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x
min
和t
min
分别确定；其中，t
min
表示当出现需求值大于能力值的最早时刻，x
min
为t
min
时刻对应部位，以转角需求为例进行说明，即θs(x
min
,t
min
)≥θr(x
min
)；
[0026]
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(t
min1
,t
min2
,t
min3
)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；
[0027]
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。
[0028]
上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，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e
kb
和船舶动能e
kv
，剩余部分转化为桥梁弹塑性变形能e
epb
和船舶弹塑性变形能e
epv
，计算公式为：
[0029]ek
＝e
kv
+e
epv
+e
kb
+e
epb
[0030]
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e
epb
即为其破坏限值er。
[0031]
上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，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：
[0032]sim
＝γgsg+γfsf+γwsw+γqsq[0033]
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。
[0034]
上述基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法中，步骤s6中能量等效原则计算模型为：
[0035][0036]
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。
[0037]
本发明具有的有益技术效果如下：
[0038]
一、本发明针对桥梁撞击问题的动力特性，根据热力学第一定律从能量等效角度出发，提出基于能量等效原则的桥梁多破坏模式抗力计算方法。首先，采用撞击时域动态需求计算方法，准确识别了桥梁船撞破坏部位、破坏模式和破坏特征时刻。在此基础上，基于能量等效原则，从能量角度建立起了船桥碰撞非线性响应与等效静态船撞抗力的关系，使船桥碰撞问题动力本质得以体现，计算得到的桥梁船撞抗力结果更加科学准确，对实际桥梁防船撞设计更具指导意义。
[0039]
二、本发明计算中考虑冲击荷载作用下桥梁结构的损伤演化特征，采用时域动态计算方法遍历全局撞击时域，搜索各时间节点需求值最不利情况，相比于现有方法，更加合理地判别了桥梁船撞破坏部位、破坏模式和破坏特征时刻，有利于桥梁进行针对性防护加固，同时为准确计算桥梁船撞抗力奠定基础。
[0040]
三、本发明在桥梁结构抗力计算中引入了能量等效原则，即根据动力模型中桥梁船撞破坏特征时刻对应的桥梁系统所能储存极限弹塑性变形能与弹塑性杆系静力模型中输入桥梁系统的能量相等为原则。从能量角度出发的抗力计算，明显区别于传统基于性能的抗力计算方法，在保证结构动态损伤状态相同基础上又充分考虑撞击动力效应，桥梁结构抗力计算理论更加科学，抗力计算结果准确性得到提高。
附图说明
[0041]
图1为本发明计算方法的步骤流程图；
[0042]
图2为船-桥碰撞实体有限元模型及船撞时程力曲线；
[0043]
图3为刚构墩转角位移计算模型原理图；
[0044]
图4为船-桥碰撞弹塑性杆系模型及船舶撞击作用点的位移-拟静力船撞力曲线
[0045]
图5为本发明的能量等效法与现有方法的计算结果比较；
具体实施方式：
[0046]
本发明计算方法的步骤流程如图1所示。以下结合某一跨航道三跨连续刚构梁桥在最高通航水位条件下，2#刚构桥墩遭受船舶横桥向撞击并发生弯曲破坏模式为例，进行桥梁船撞抗力计算说明。
[0047]
实施步骤如下：
[0048]
因实施案例以船桥碰撞后桥梁发生弯曲破坏模式为例进行说明，受篇幅限制，关于剪切破坏模式、落梁破坏模式相应的能力值(vr(x)、δr)与和需求值(vs(x,t)、δs(t))计算数据不在此罗列。应注意的是，对于未进行评估的桥梁预先无法判断其遭受船撞后出现何种破坏模式，故本发明中步骤s1-s3提及的三大能力值和需求值均要进行计算。
[0049]
s1：根据桥梁抗震与抗撞规范，计算桥梁遭受船舶撞击下部结构截面的极限转角θr(x)、抗剪强度vr(x)以及顶部极限位移δr。
[0050]
桥梁下部结构遭受船舶撞击后达到相应破坏模式弯曲破坏、剪切破坏、落梁破坏可用多种指标进行表征，表征方式不唯一。在本发明中以三大能力值θr(x)、vr(x)、δr为指标分别进行表征。其中，能力值θr(x)可结合抗震规范公式计算，能力值vr(x)可结合抗撞规范抗剪承载力公式计算，能力值δr可结合铁路桥梁设计规范计算。
[0051]
首先，根据案例桥梁设计图纸确定被撞下部结构各个截面尺寸、材料强度、配筋率等参数值。其次，根据抗震规范公式计算被撞下部结构2#刚构墩各截面的极限转角θr(x)，转角计算公式为：
[0052]
θr(x)＝l
p
(x)(φu(x)-φy(x))/kd[0053]
其中，l
p
(x)—特征部位潜在塑性铰长度，φu(x)—特征部位极限曲率，φy(x)—特征部位屈服曲率，kd—延性安全系数。
[0054]
部分截面计算结果见表1所示。
[0055]
表1极限转角(部分截面)
[0056][0057]
s2：建立船-桥碰撞实体有限元模型，进行船撞动力分析；结合层间位移角与转角位移计算原理，计算被撞下部结构各截面转角数值θs(x,t)，同时提取被撞下部结构各截面剪力数值vs(x,t)以及顶部位移数值δs(t)；
[0058]
s21：根据案例桥梁实际通航情况，选择1000dwt船舶作为撞击船舶，船舶撞击速度取为4.12m/s，船撞位置为最高通航水位以上2m处。采用显式动力有限元软件ls-dyna建立由桥梁子系统及船舶子系统组成的船-桥碰撞足尺实体有限元模型，进行动力分析并提取船撞时程力f(t)，见图2所示；
[0059]
s22：实体有限元模型中墩底截面转角值采用层间位移角原理计算：
[0060][0061]
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。
[0062]
s23：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，计算模型见图3所示，计算公式为：
[0063][0064][0065]
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：
[0066][0067]
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。
[0068]
案例桥梁被撞下部结构2#桥墩为刚构墩，简化为两端固结模型。通过ls-prepost软件中history的nodal功能获取墩底截面和墩顶截面节点位移数值，再根据两截面提取节点位移相差幅值计算δy(t)，进而计算墩底截面转角数值。结合步骤s21提取的船撞时程力(图2)和步骤s22与s23转角计算原理，被撞下部结构部分截面计算结果如表2所示。
[0069]
表2转角值(部分截面)
[0070][0071]
桥墩顶部位移数值δs(t)同样基于nodal功能获取；被撞下部结构各截面剪力数值vs(x,t)则通过ls-prepost中splane功能切割被撞桥墩各截面提取。
[0072]
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)
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、破坏部位及桥梁破坏特征时刻t
cp
。
[0073]
步骤s3能力值与需求值对比包括三种情况：
[0074]
s31、仅出现一种需求值大于能力值，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x
min
和t
min
分别确定。其中，t
min
表示当出现需求值大于能力值的最早时刻，x
min
为t
min
时刻对应部位，以转角需求为例进行说明，即θs(x
min
,t
min
)≥θr(x
min
)；
[0075]
s32、出现多种需求值大于相应能力值，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(t
min1
,t
min2
,t
min3
)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；
[0076]
s33、若在初始船舶子系统作用能量下桥梁子系统未达到任何破坏模式，这表明桥梁具备抵抗该船型以这一速度撞击的能力。但为了进一步确定桥梁被撞下部结构的船撞抗力，则需根据增量动力原理，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。
[0077]
本实施案例发生弯曲破坏模式，经过对比θr(zd)＝0.264
°
＜θs(zd,0.58)＝0.284
°
，表明桩顶截面位置处最先发生破坏，反查θs(zd,0.52)＝0.264
°
，即最早出现破坏时刻t
min
为0.52s(破坏特征时刻t
cp
＝0.52s)。
[0078]
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t
cp
，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。
[0079]
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，一部分转化为桥梁和船舶的动能(e
kb
、e
kv
)，剩余的以弹塑性变形能形式储存在桥梁和船舶中(e
epb
、e
epv
)。计算公式为：
[0080]ek
＝e
kv
+e
epv
+e
kb
+e
epb
[0081]
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e
epb
即为其破坏限值er。
[0082]
通过ls-prepost软件中ascii的matsum功能提取定义桥梁所使用材料在船撞作用下的总内能，在0.52s时，桥梁子系统弹塑性变形能为750kj，即桥梁子系统达到破坏状态时储存的极限弹塑性变形能er＝750kj。
[0083]
s5：建立船-桥碰撞弹塑性杆系模型，于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。提取船舶撞击作用点的位移-拟静力船撞力曲线。
[0084]
步骤s5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(自重、二期恒载)、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：
[0085]sim
＝γgsg+γfsf+γwsw+γqsq[0086]
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。
[0087]
建立船-桥碰撞弹塑性杆系模型，本案例以100kn作为标准荷载步，在船舶撞击位
置逐级施加节点静力荷载进行拟静力分析，并提取1.0
×
sg+1.0
×
sf+1.0
×
sw+0.4
×
sq船舶偶然撞击作用组合下船舶撞击作用点的位移-拟静力船撞力曲线，见图4所示。
[0088]
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)。并根据能量等效原则，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。
[0089]
步骤s6包括：
[0090]
s61：拟静力船撞力作用下输入至桥梁子系统中的能量es(f)，通过弹塑性杆系模型的位移-拟静力船撞力曲线计算得到，即：
[0091][0092]
其中，x(f)—位移-拟静力船撞力曲线。
[0093]
s62：所述能量等效原则计算模型为：
[0094][0095]
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。
[0096]
根据步骤s5得到的船舶撞击作用点的位移-拟静力船撞力曲线计算输入至桥梁子系统中的能量es(f)。当拟静力船撞力f＝17600kn时，在船桥碰撞弹塑性杆系模型中输入至桥梁子系统中的能量es(17600)≈750kj，根据能量等效原则(弹塑性模型中桥梁子系数储存的弹塑性变形能es(f)等于有限元动力分析下的桥梁子系统弹塑性变形能限值er)，最终得到案例中桥梁的船撞抗力rf为17.6mn。
[0097]
图5给出了三种方法的比较结果。其中等效静力法计算结果为10.44mn，pushover方法计算结果为18.81mn。等效静力法计算结果偏小的主要原因是：一、结构抗力值按规范公式计算，其富余空间小；二、结构效应值按最不利效应组合工况计算，被过于高估。pushover方法计算结果偏大是因为此方法忽略了冲击问题动力特性，导致结构在遭受冲击作用下的响应被低估。即等价于pushover方法要将拟静力作用放大才能达到结构在冲击作用下相同状态的响应效果。
[0098]
从理论分析可知，pushover法和等效静力法分别得到的是桥梁抗撞能力的上下限值，计算结果对于指导桥梁设计和防护加固无法同时具备经济性和安全性。而根据本发明能量等效法计算得到的船撞抗力与以上分析相对应，从数值量化角度验证了能量等效法的科学性及计算结果可靠性。
[0099]
本发明所述技术方案适用于各类桥型，且不局限于下部结构结构类型，如刚构墩与一般支承桥墩，以及不局限于下部结构构造类型，如外形为矩形、圆柱和异形等桥墩。此外，本发明提出的能量等效原则不局限于仅以桥梁弹塑性变形能作为指标，也可以是船-桥碰撞系统中其它形式的能量。一种基于能量等效原则的桥梁多破坏模式抗力计算方法可以延伸至工程结构在遭受各种低速冲击作用下求解结构抗撞能力的问题中，如车撞、落石撞等，只需调整不同冲击作用下的能力与需求表征指标，本发明所提出的基于能量等效求解结构抗力思路无需改变。

技术特征：
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θ
r
(x)、抗剪强度v
r
(x)以及顶部极限位移δ
r
；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θ
s
(x,t)、剪力数值v
s
(x,t)以及顶部位移数值δ
s
(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θ
r
(x)、v
r
(x)和δ
r
分别与需求值θ
s
(x,t)、v
s
(x,t)和δ
s
(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t
cp
；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t
cp
，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e
r
；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e
s
(f)；根据能量等效原则，进行桥梁子系统能量e
r
和e
s
(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r
f
。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θ
s
(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：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x
min
和t
min
分别确定；其中，t
min
表示当出现需求值大于能力值的最早时刻，x
min
为t
min
时刻对应部位，以转角需求为例进行说明，即θ
s
(x
min
,t
min
)≥θ
r
(x
min
)；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(t
min1
,t
min2
,t
min3
)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e
r
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e
k
，此能量经过船桥碰撞后发生转化，一部分转化为桥梁动能e
kb
和船舶动能e
kv
，剩余部分转化为桥梁弹塑性变形能e
epb
和船舶弹塑性变形能e
epv
，计算公式为：e
k
＝e
kv
+e
epv
+e
kb
+e
epb
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e
epb
即为其破坏限值e
r
。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：s
im
＝γ
g
s
g
+γ
f
s
f
+γ
w
s
w
+γ
q
s
q
其中，γ
g
—桥梁结构永久作用分项系数，s
g
—桥梁结构永久作用标准值，γ
f
—船撞力分项系数，s
f
—船撞力标准值，γ
w
—水流作用分项系数，s
w
—水流作用标准值，γ
q
—汽车荷载准永久值分项系数，s
q
—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e
s
(f)等于e
r
时，取e
s
(f)对应的力作为船撞抗力r
f
。

技术总结
本发明公开了一种基于能量等效的桥梁撞击多破坏模式抗力计算方法，包括计算桥梁遭受船舶撞击下部结构能力值和需求值；将结构能力值分别与需求值进行对比，识别船桥碰撞破坏模式、破坏部位，获取桥梁破坏特征时刻；提取实体有限元船撞动力分析的系统能量结果，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；计算在拟静力船撞力作用下输入至桥梁子系统中的能量，并根据能量等效原则，确定已识别破坏模式所对应的桥梁船撞抗力。本发明从能量角度建立起了船桥碰撞非线性响应与等效静态船撞抗力的关系，使船桥碰撞问题动力本质得以体现，计算得到的桥梁船撞抗力结果更加科学准确，对实际桥梁防船撞设计、防护加固更具指导意义。具指导意义。具指导意义。


技术研发人员：张景峰 荀非帆 冀豪豪 杜威 彭洋鹏 雒嘉鑫 崔畅滏 李晨涛 张先文 吴俊霖 荆一帆
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/25