计及船舶碰撞情况的海上斜拉桥浮筒改进设计与总体响应分析

摘要

挪威公路局(NPRA)于2014年提案“海上高速公路E39”项目，E39高速公路跨越挪威西海岸峡湾连通北部特隆赫姆和南部克里斯蒂安桑，可以提高交通运输效率，促进经济增长。由于峡湾区自然环境复杂，传统的桥梁设计难以应用。挪威公路局提出了一个新的浮桥概念，该浮桥设计旨在利用多个浮筒和斜拉钢索来支撑浮桥的全部载荷。由于有浮筒的存在，船舶与浮筒碰撞的概率增大，在极端的环境条件下，碰撞的可能性会进一步增加。因此，对船舶与浮桥碰撞的研究分析是不可或缺的。
　　本文在总结前人的研究成果及广泛调研的基础上，归纳了船桥碰撞机理研究的发展历程，对这些机理进行了比较和分析。以挪威海上浮桥工程为例，基于非线性有限元分析法，针对船舶与海面浮筒的碰撞问题，使用Patran软件建立浮筒和船艏有限元模型，在LS-DYNA非线性软件中对浮筒进行碰撞模拟，对初始浮筒结构进行优化，最终得到具有足够强度的浮筒结构。其次，基于船艏与浮筒碰撞分析，得到船艏的力与位移曲线后代入USFO软件，分析浮桥在不同船舶碰撞场景下的动态响应，研究船舶行驶速度和碰撞角度不同对浮桥的影响，得到碰撞最大接触力、最大水平位移等结果并通过理论方法和相关规范进行验证。
　　本文基于碰撞方程和时域分析，研究了浮桥和船舶碰撞之后浮桥的响应，提出了浮筒的结构优化设计，可将该设计应用于工程实际。本文的研究结果和计算方法能为挪威浮桥设计提供参考。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文背景与研究意义

1．2国内外研究进展

1．2．1船桥相撞理论方法

1．2．2数值模拟方法

1．2．3试验方法

1．3本文的主要研究内容

第2章船桥碰撞机理研究概况

2．1船舶碰撞力学原理

2．2船艏碰撞简化运算

2．3非线性有限元理论

2．3．1非线性有限元软件介绍

2．3．2时域解析法

2．4各国碰撞规范

2．4．1欧洲统一规范

2．4．2美国公路桥梁设计规范

2．4．3我国桥梁设计规范

2．5本章小结

第3章浮桥模型建立及分析

3．1浮桥模型的建立

3．1．1总体坐标及节点坐标计算

3．1．2桥梁和横梁模型建立

3．1．3浮筒模型建立

3．1．4钢索模型建立

3．2船艏模型及局部浮筒模型

3．2．1船艏模型建立及网格划分

3．2．2浮筒模型建立及网格划分

3．2．3非线性有限元软件设置

3．2．4浮筒结构改进设计

3．3 USFO中浮桥与船舶的碰撞设置

3．4外载荷

3．4．1重力和浮力

3．4．2水动力

3．4．3钢索中预张力的设置

3．4．4浮桥边界条件的设置

3．5本章小结

第4章模拟结果及分析

4．1浮桥特征值分析

4．2单自由度分析验证

4．3局部碰撞结果及分析

4．4浮桥总体响应分析

4．4．1情况1和情况2碰撞结果

4．4．2情况3和情况4碰撞结果

4．4．3单自由度碰撞理论分析

4．4．4钢索中轴向力结果分析

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录