FRP桥墩防撞浮箱在桥墩防撞方面的试验研究

摘要

近几年来随着水上航运业的快速发展和跨越繁忙航道上桥梁数量的迅速增多，国内外桥梁船撞事故频发，给社会经济、人员伤亡以及环境污染等方面造成了重大损失，因此桥梁船撞安全问题已引起设计者和社会公众的广泛关注。为了减少船撞桥事故带来的重大损失，桥梁设计工程师对已修建好的桥梁考虑了采用被动防护装置（缓冲装置）和保护系统。通过预防或改变船只冲击荷载的方向来减少对桥墩的冲击荷载，将其破坏程度减到最小，同时也减小船舶和防撞设施的破坏损失。世界上已投入使用的桥墩防护装置种类繁多，各具特点。本文以重庆嘉陵江黄花园大桥桥墩FRP防撞浮箱工程为背景，采用试验和数值模拟相结合的方法，对新型柔性FRP防撞浮箱的防撞性能展开了研究。
　　本文首先引述了国内外典型结构冲击试验和船桥碰撞数值模拟研究的进展情况，并借鉴国内外结构冲击试验的通常做法，进行了FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验方案设计，主要包括了浮箱模型结构设计、桥墩模型结构设计、撞击加载装置设计和撞击实验系统设计。在了解了新型复合材料FRP的特点后，根据《玻璃纤维增强塑料性能试验方法》，对用于黄花园大桥防撞工程的FRP防撞浮箱结构进行了结构材料和构件基本力学性能试验，获得了嘉陵江黄花园大桥桥墩FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验及有限元仿真计算所需的材料性能参数。在进行撞击试验的同时，采用ANSYS/LS-DYNA有限元非线性动力分析软件对撞击试验进行数值模拟分析，将撞击试验测得的数据和数值仿真计算得到的结果进行了对比分析，了解FRP防撞浮箱结构的局部受力、变形、破坏和消能特征，验证了模型结构撞击仿真计算的计算方法可靠性及计算结果可信度，为嘉陵江黄花园大桥桥墩FRP防撞浮箱工程施工图设计提供可靠的计算方法。
　　最后采用经前期FRP防撞浮箱模型结构撞击试验验证的有限元数值模拟计算方法，对黄花园大桥设防撞力标准最高的2号主墩及其FRP防撞浮箱结构在最高通航水位下受到船舶不同方向的撞击情况进行了仿真分析。数值计算结果表明:FRP防撞浮箱能够达到“既不伤墩、又不伤船、还少结构自伤”的设计目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外典型结构冲击试验研究

1．2．1 钢构件冲击试验

1．2．2 钢筋混凝梁冲击试验

1．2．3 国内外船桥碰撞试验

1．2．4 船撞桥数值模拟研究进展

1．3 防护装置评述

1．4 本文主要研究工作

第二章 FRP防撞浮箱模型结构材料和构件基本力学性能试验

2．1 FRP复合材料发展简介

2．2 FRP复合材料的特点

2．3 FRP防撞浮箱模型结构材料和构件基本力学性能试验

2．3．1 FRP防撞浮箱模型结构材料拉伸性能试验

2．3．2 FRP防撞浮箱模型结构材料压缩性能试验

2．3．3 FRP防撞浮箱模型结构材料弯曲性能试验

2．3．4 FRP防撞浮箱模型结构材料剪切性能试验

2．3．5 FRP防撞浮箱模型结构材料摩擦系数试验

2．4 本章小结

第三章 FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验方案设计

3．1 试验概况

3．2 试验目的

3．3 试验内容

3．4 试验方法

3．5 FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验设计

3．5．1 浮箱模型结构设计

3．5．2 桥墩模型结构设计

3．5．3 撞击加载装置设计

3．5．4 撞击试验系统设计

3．6 试验模型的制作与安装

3．7 测试内容与测试方法

3．7．1 测试内容

3．7．2 测试方法

3．8 试验模型测点布置

3．8．1 应变测点布置

3．8．2 位移测点布置

3．8．3 加速度测点布置

3．9 撞击试验加载方案

3．10 试验设备

3．11 本章小结

第四章 FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验结果及分析

4．1 桥墩模型结构撞击试验结果及分析

4．1．1 加速度试验结果

4．1．2 动位移试验结果

4．1．3 动应变试验结果

4．1．4 试验结果分析

4．2 浮箱模型结构撞击试验结果及分析

4．2．1 浮箱模型结构柱壳构件动应变试验结果

4．2．2 浮箱模型结构箱壳构件动应变试验结果

4．2．3 浮箱模型结构动应变试验结果分析

4．3 撞击试验结论

4．4 本章小结

第五章 FRP防撞浮箱工程结构模型撞击试验数值模拟

5．1 非线性有限元碰撞数值模拟方法

5．1．1 LSDYNA简介

5．1．2 显式时间积分

5．1．3 碰撞数值模拟基本方法

5．2 模型撞击试验数值模拟建模

5．2．1 数值模拟工况介绍

5．2．2 无浮箱保护计算模型

5．2．3 有浮箱保护计算模型

5．2．4 钢材料和FRP材料本构模型

5．3 模型撞击仿真结果及分析

5．3．1 无浮箱保护工况

5．3．2 有浮箱保护工况

5．4 有限元计算结果与试验结果对比分析

5．4．1 桥墩模型

5．4．2 FRP箱壳和柱壳

5．5 数值模拟结论

5．6 本章小结

第六章 黄花园大桥桥墩FRP防撞浮箱工程数值仿真分析

6．1 黄花园大桥工程概况

6．2 船撞参数及模型

6．2．1 船撞参数

6．2．2 撞击工况

6．3 仿真模型

6．3．1 计算模型

6．3．2 边界条件

6．4 计算结果

6．4．1 无浮箱各计算工况的仿真结果及其分析

6．4．2 有浮箱各计算工况的仿真结果及其分析

6．4．3 仿真结果对比分析

6．5 数值仿真分析结论

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文完成的主要工作与结论

7．2 本课题研究的展望

致谢

参考文献

在读期间发表的论文及科研成果