CN115577415A - 一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法。其包括获得撞损钢筋混凝土结构的现场检测残余位移；有限元数值模型；获得最大撞击力‑撞击持续时间曲线；计算撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移；比较吻合度；提取撞损钢筋混凝土结构隐蔽部位的损伤指数等步骤。本发明采用简化的船舶碰撞力‑时间曲线输入有限元程序中模拟船舶撞击钢筋混凝土结构的动力反应，计算效率高，计算成本低；通过与现场检测残余位移对比验证，保证了数值计算正确性；以正确的数值模型为依据，获得定量的损伤数值，能准确评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态；因此可高效准确地评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态，为该结构的维修加固和安全使用提供依据。

Description

一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法
技术领域
本发明属于土木工程和水利工程技术领域，尤其涉及一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法。
背景技术
在土木工程和水利工程领域中，因操作失误或风暴潮等恶劣环境影响而导致船舶偶然撞击码头或桥梁等钢筋混凝土结构的事故频发。船舶撞击会导致钢筋混凝土结构发生损伤破坏，从而直接影响这些结构后期的使用安全，因此撞损钢筋混凝土结构的损伤评估成为评价其安全的重要手段。现有方法通常通过对撞损钢筋混凝土结构进行现场检测，利用检测数据评估其损伤状态，但因水工结构物的结构一部分处于水体或土体中，通过现场检测很难检测并评估其隐蔽部位的损伤状态，因此很难通过检测手段科学合理地评估钢筋混凝土结构的损伤情况。采用数值分析方法模拟结构撞损过程，并评估撞损结构的损伤状态是一种可行的手段，但真实还原撞损钢筋混凝土结构的数值模拟实现困难，且计算成本高，往往不适合工程应用。因此，建立一种可高效分析撞损钢筋混凝土结构损伤的数值模拟方法，真实评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态，掌握撞损钢筋混凝土结构的损伤薄弱部位，可为钢筋混凝土结构后期的维修加固和安全使用提供重要参考意见。但目前尚缺少有效的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，该方法以现场检测数据为基础，准确模拟撞损钢筋混凝土结构的动力反应过程，掌握隐蔽部位结构的损伤状态，且计算成本可控，易于工程实际应用。
为了达到上述目的，本发明提供的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：对撞损钢筋混凝土结构进行现场检测，获得撞损钢筋混凝土结构的现场检测残余位移；
步骤二：根据钢筋混凝土结构的尺寸和材料，建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型；
步骤三：根据船舶质量和船舶速度，获得最大撞击力-撞击持续时间曲线；
步骤四：将步骤三获得的最大撞击力-撞击持续时间输入步骤二建立的有限元数值模型中，计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移；
步骤五：将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较，若吻合度差，则更改上述最大撞击力-撞击持续时间曲线，然后输入有限元数值模型中再次计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移，之后再将该数值模拟残余位移与现场检测残余位移进行对比，如此反复，直到达到好的吻合度，停止计算，获得最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线；
步骤六：从上述最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线输入有限元数值模型进行计算，提取出撞损钢筋混凝土结构隐蔽部位的损伤指数，用于评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态。
在步骤一中，所述现场检测残余位移为撞损钢筋混凝土结构的位移坐标值减去未发生碰撞时的钢筋混凝土结构的位移坐标值。
在步骤二中，所述建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型的方法是：采用包括ANSYS、ABAQUS在内的大型通用有限元软件的实体单元建立钢筋混凝土结构中桩和梁在内的构件混凝土模型，采用梁单元建立钢筋模型，其中混凝土和钢筋材料分别赋予混凝土损伤本构关系和钢材弹塑性本构关系。
在步骤三中，所述船舶质量为船舶吨位，船舶速度为撞击时刻船舶上速度仪表所记录的速度，设船舶撞击初始时刻的撞击力为最大撞击力，船舶撞击结束时刻的撞击力为0，撞击力与时间成线性关系，那么最大撞击力和撞击持续时间的关系如下：
Figure BDA0003840497240000031
式中：P为最大撞击力；M为船舶质量；V为船舶撞击初始时刻的船舶速度；T为撞击持续时间。
在步骤四中，所述有限元数值模型计算选用显示算法，从有限元数值模型中提取出船舶撞击后撞损钢筋混凝土结构的位移与船舶撞击前钢筋混凝土结构的位移，两者做差获得撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移。
在步骤五中，在将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较时，若差别在±5％以内，视为吻合度好；否则吻合度不好，则更改步骤三中的撞击持续时间T，重新计算最大碰撞力P，获得新的最大撞击力-撞击持续时间曲线，并将该曲线输入有限元数值模型进行计算。
本发明具有的优点和积极效果是：采用简化的船舶碰撞力-时间曲线输入有限元程序中模拟船舶撞击钢筋混凝土结构的动力反应，相比传统采用船舶模型模拟船舶撞击结构过程，其计算效率高，计算成本低；通过与现场检测残余位移对比验证，保证了数值计算的正确性；以正确的数值模型为依据，获得定量的损伤数值，能够准确地评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态；因此本发明方法可以高效准确地评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态，为该结构的维修加固和安全使用提供依据。
附图说明
图1(a)和(b)分别为本发明实施例中采用的钢筋混凝土桩承台主视图和俯视图；
图2为采用本发明方法计算得到的位移-时间曲线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明提供的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：对撞损钢筋混凝土结构进行现场检测，获得撞损钢筋混凝土结构的现场检测残余位移；
所述现场检测残余位移为撞损钢筋混凝土结构的位移坐标值减去未发生碰撞时的钢筋混凝土结构的位移坐标值。
步骤二：根据钢筋混凝土结构的尺寸和材料，建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型；
所述建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型的方法是：采用包括ANSYS、ABAQUS在内的大型通用有限元软件的实体单元建立钢筋混凝土结构中桩和梁在内的构件混凝土模型，采用梁单元建立钢筋模型，其中混凝土和钢筋材料分别赋予混凝土损伤本构关系和钢材弹塑性本构关系。
步骤三：根据船舶质量和船舶速度，获得最大撞击力-撞击持续时间曲线；
所述船舶质量为船舶吨位，船舶速度为撞击时刻船舶上速度仪表所记录的速度，设船舶撞击初始时刻的撞击力为最大撞击力，船舶撞击结束时刻的撞击力为0，撞击力与时间成线性关系，那么最大撞击力和撞击持续时间的关系如下：
Figure BDA0003840497240000041
式中：P为最大撞击力；M为船舶质量；V为船舶撞击初始时刻的船舶速度；T为撞击持续时间。
步骤四：将步骤三获得的最大撞击力-撞击持续时间输入步骤二建立的有限元数值模型中，计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移；
所述有限元数值模型计算选用显示算法，从有限元数值模型中提取出船舶撞击后撞损钢筋混凝土结构的位移与船舶撞击前钢筋混凝土结构的位移，两者做差获得撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移。
步骤五：将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较，若吻合度差，则更改上述最大撞击力-撞击持续时间曲线，然后输入有限元数值模型中再次计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移，之后再将该数值模拟残余位移与现场检测残余位移进行对比，如此反复，直到达到好的吻合度，停止计算，获得最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线；
在将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较时，若差别在±5％以内，视为吻合度好；否则吻合度不好，则更改步骤三中的撞击持续时间T，重新计算最大碰撞力P，获得新的最大撞击力-撞击持续时间曲线，并将该曲线输入有限元数值模型进行计算。
步骤六：从上述最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线输入有限元数值模型进行计算，提取出撞损钢筋混凝土结构隐蔽部位的损伤指数，用于评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态。
本发明以现场检测数据为依据，将数值模拟结果与现场实测结果进行对比验证，从最终有限元数值模型中提取出撞损钢筋混凝土结构隐蔽部位的损伤指数，用于评估该结构的损伤状态，以保证撞损钢筋混凝土结构的损伤评估准确、高效。
下面通过一个应用实例来说明本发明方法的优越性。
本实施例中船舶吨位为6.6万吨，船舶撞击前船舶上速度仪表记录的船舶速度为0.86m/s，经检测获得撞损钢筋混凝土结构的现场检测残余位移为657mm。
请参阅图1，本实施例中，钢筋混凝土桩承台结构中承台的截面尺寸为12×12×2.5m，即长度B为12m，高H为2.5m，钢筋混凝土灌注桩的直径为2.6m，桩顶到基岩部位的长度L为37m，混凝土采用C30，钢筋采用HRB400，钢筋体积配筋率为0.98％。
本实施例中，本发明采用ANASYS建立钢筋混凝土桩承台结构的有限元数值模型，承台和桩的混凝土采用实体单元建模，赋予混凝土损伤本构关系，钢筋采用梁单元建模，赋予弹塑性本构关系。
请参阅图2，采用本发明方法试算了以撞击持续时间T＝13.0s、13.5s、13.75s、14.0s、15.0s对应的最大撞击力为7.568MN、8.732MN、8.109MN、8.409MN、8.256MN的最大撞击力-撞击持续时间曲线的结构动力响应，通过图中位移-时间曲线可知，当撞击持续时间T＝13.75s时，数值模拟残余位移为641mm，与现场检测残余位移657mm相比，误差为2.4％，满足精度要求。
采用本发明数值模拟的钢筋混凝土桩的大部分保护层混凝土损伤指数达到1.0，属于严重破坏，少部分核心区混凝土损伤指数为0.4左右，说明核心区混凝土未发生严重破损。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：所述船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：对撞损钢筋混凝土结构进行现场检测，获得撞损钢筋混凝土结构的现场检测残余位移；
步骤二：根据钢筋混凝土结构的尺寸和材料，建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型；
步骤三：根据船舶质量和船舶速度，获得最大撞击力-撞击持续时间曲线；
步骤四：将步骤三获得的最大撞击力-撞击持续时间输入步骤二建立的有限元数值模型中，计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移；
步骤五：将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较，若吻合度差，则更改上述最大撞击力-撞击持续时间曲线，然后输入有限元数值模型中再次计算出撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移，之后再将该数值模拟残余位移与现场检测残余位移进行对比，如此反复，直到达到好的吻合度，停止计算，获得最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线；
步骤六：从上述最终的最大撞击力-撞击持续时间曲线输入有限元数值模型进行计算，提取出撞损钢筋混凝土结构隐蔽部位的损伤指数，用于评估撞损钢筋混凝土结构的损伤状态。
2.根据权利要求1所述的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：在步骤一中，所述现场检测残余位移为撞损钢筋混凝土结构的位移坐标值减去未发生碰撞时的钢筋混凝土结构的位移坐标值。
3.根据权利要求1所述的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：在步骤二中，所述建立钢筋混凝土结构的有限元数值模型的方法是：采用包括ANSYS、ABAQUS在内的大型通用有限元软件的实体单元建立钢筋混凝土结构中桩和梁在内的构件混凝土模型，采用梁单元建立钢筋模型，其中混凝土和钢筋材料分别赋予混凝土损伤本构关系和钢材弹塑性本构关系。
4.根据权利要求1所述的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：在步骤三中，所述船舶质量为船舶吨位，船舶速度为撞击时刻船舶上速度仪表所记录的速度，设船舶撞击初始时刻的撞击力为最大撞击力，船舶撞击结束时刻的撞击力为0，撞击力与时间成线性关系，那么最大撞击力和撞击持续时间的关系如下：
Figure FDA0003840497230000021
式中：P为最大撞击力；M为船舶质量；V为船舶撞击初始时刻的船舶速度；T为撞击持续时间。
5.根据权利要求1所述的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：在步骤四中，所述有限元数值模型计算选用显示算法，从有限元数值模型中提取出船舶撞击后撞损钢筋混凝土结构的位移与船舶撞击前钢筋混凝土结构的位移，两者做差获得撞损钢筋混凝土结构的数值模拟残余位移。
6.根据权利要求1所述的船舶撞击钢筋混凝土结构的损伤评估方法，其特征在于：在步骤五中，在将步骤四计算的数值模拟残余位移与步骤一获得的现场检测残余位移进行比较时，若差别在±5％以内，视为吻合度好；否则吻合度不好，则更改步骤三中的撞击持续时间T，重新计算最大碰撞力P，获得新的最大撞击力-撞击持续时间曲线，并将该曲线输入有限元数值模型进行计算。
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