重庆嘉陵江黄花园大桥FRP防撞浮箱设计及仿真分析

摘要

船桥碰撞是一个复杂的非线性动力学问题,是通过碰撞区域内的结构或者构件的变形和压溃,在短时间内将巨大的冲撞能量吸收、转化和耗散的非线性动力响应过程。因为多而复杂的影响因素,船桥碰撞过程不容易实现精确的分析,而借助非线性有限元技术能够对整个碰撞过程进行模拟并得到满足工程实践需要的结果。
　　 本文在查阅和整理国内外关于船桥碰撞的文献资料的基础上,讨论了船桥碰撞外部机理研究基本理论存在的缺陷,分析了几种目前研究船桥碰撞内部机理的研究方法,并比较其各自的优缺点,同时从防护机理和防护性能方面对比分析了各种防护系统自身存在的优缺点及适用条件。文章结合重庆嘉陵江黄花园大桥桥墩防护装置研究设计这一工程实例,将轻质、高强、低模量、完全弹性的纤维增强复合材料(FRP)用于FRP防撞浮箱的设计,拟定三种设计方案并进行比选,通过对FRP防撞浮箱的结构特点、工作原理和消能模式的阐述,展现其在桥梁防撞工程中应用的优势和前景。在此基础上借助ANSYS/LS-DYNA软件分别模拟了1600吨级的散货船以两个方向撞击四种不同刚度的推荐方案FRP防撞浮箱及裸墩的十种工况,并得到每个工况的撞击力、能量时程曲线以及浮箱各部分构件在撞击过程中转化和耗散的能量时程曲线等,通过几个工况数据分析和对比,得出:
　　 ①FRP防撞浮箱能有效抵御船舶撞击而不被穿透,起到保护桥墩的作用;
　　 ②外衬消能筒体与内衬消能筒体能起到有效延长撞击时间和消耗撞击能量的作用;
　　 ③FRP防撞浮箱具有良好的消能效果,其消能效率占总能量的34％～47%之间;
　　 ④实现了薄壁消能筒体柔性消能为主,外围箱体耗能为辅的设计理念;
　　 ⑤FRP防撞浮箱在降低撞击力峰值方面效果良好,能降低25.83%～55.67%;
　　 ⑥从降低撞击力、吸能效果等方面对四种不同弹性模量的FRP浮箱进行对比分析后,选定弹性模量为10GPa的FRP防撞浮箱为大桥桥墩的防护装置。在其正撞和斜撞工况下与无浮箱作用相比,撞击力的降低占无浮箱工况的36.69%～50.36%,满足设计要求。