大跨度斜拉桥竖向曲线塔墩船撞分析与防撞装置研究

发布时间：2020-08-15 12:20

【摘要】：我国内河航运繁荣,船只种类众多,过往流量大,船桥碰撞事件屡见不鲜,造成了严重的经济损失与人员伤亡,说明了我国桥梁防撞设计与防撞措施的不足。如今斜拉桥结构更加追求多功能性与美学景观性,新颖的结构形式更增加了防撞设计难度,而目前针于大尺寸异形塔墩的桥梁防撞研究还尚少,且对于吸能材料在桥梁防撞设计中的关注还不够。因此,本文结合某大跨度公铁两用长江大桥工程,基于数值模拟方法开展了斜拉桥竖向曲线塔墩防撞研究。首先,针对关于船桥碰撞荷载的国内外规范与经验公式进行了介绍与总结,对比讨论了各计算方法的差异性及其原因。根据大桥通航标准与设防要求,采用显式动力分析软件LS-DYNA模拟代表船舶撞击斜拉桥“水滴型”桥塔与“花瓶型”辅助墩过程,得到了在不同水位、不同撞击角度等工况下能量、船艏结构损伤以及桥墩位移的变化规律,总结出在不同水位下船舶撞击曲线塔墩的荷载时程分布特点。同时,结合简化计算方法确定了斜拉桥塔墩船撞力标准值。其次,基于斜拉桥塔墩的独特构造形式与防撞需求,结合闭孔泡沫铝材料优异的吸能特性提出了钢-泡沫铝填充结构自浮式防撞钢套箱装置。在此基础上,选取在高水位下5000t级船舶撞击斜拉桥竖向曲线主塔过程为研究对象,通过数值模拟方法研究了防撞钢套箱以及填充泡沫铝材料在船舶碰撞作用下的受力特点。与船舶撞击裸墩工况进行了对比分析,得到该防撞装置在降低撞击力与船舶撞深、能量吸收以及减小桥墩位移等方面的防撞效果。通过与其他类型防撞设施对比可知,该种防撞装置在大幅度降低船舶撞击力的前提下具备突出的吸能性能和保护船舶的能力。最后,采用控制变量法对钢-泡沫铝填充结构防撞装置进行耐撞性影响参数分析。从撞击力、能量吸收、船舶与防撞装置损伤等角度分别探讨了闭孔泡沫铝密度、防撞装置结构刚度、船舶撞击速度以及角度对结构耐撞性的影响,得到相应撞击力峰值、比吸能以及结构撞深等指标的变化规律。并针对改善该防撞装置耐撞性能提出了相关技术方法,为此类防撞研究提供指导与借鉴作用。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.27
【图文】：

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图 1-1 九江大桥桥墩船撞倒塌图 1-2 洪奇沥大桥桥墩倾斜世界范围内发生的大小船桥碰撞事故不计其数，轻则刮擦，重则桥梁结塌，威胁生命安全。在上世纪八十到九十年代，美国阳光大桥、CXS 铁路均因船舶撞击倒塌，并共造成近百人在事故中丧生。1983 年，前苏联时期加河发生了史上最严重的船桥碰撞事故，一艘客船与铁路桥相撞使得 240 丧生。我国水系发达，近几十年来已发生众多船桥碰撞事故。武汉长江大成 61 年以来共被撞击达 70 余次，曾造成铁路运行中断。2007 年，一艘沙

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图 1-4 Peng Yuan 有限元仿真模型我国学者对船桥碰撞仿真有着深入的研究。2002 年，刘建成[25/Dytran 数值模拟了一艘 4 万吨级油轮正向撞击斜拉桥桥墩过程，模型船艏部分进行了精细化划分，并建立斜拉桥整桥模型，得到了船艏变变形以及桥墩损伤情况。罗荣等[26-27]采用 ANSYS/LS-DYNA 程序对船撞过程以及防护装置进行究，对比分析了经验公式与仿真结果的差异，并完成经验公式的修正船舶尺寸、吨位以及防护装置各项设计参数的影响规律。王健伟[28]采用 LS-DYNA 研究了船-冰碰撞过程，分析讨论了不同冰层型碰撞下的动力响应规律。潘晋[29-30]针对桥梁防撞钢套箱进行了系统性的研究，利用有限元软件撞钢套箱不同斜边角对碰撞力的影响，对比探讨了流固耦合方法与附间的差异性。方海、钱长根[31]等学者针对桥墩截面以及配筋情况计算单位荷载作用内力以此估算桥梁最大水平抗力，并利用 LS-DYNA 程序得到船撞力，

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