大跨度斜拉桥竖向曲线塔墩船撞分析与防撞装置研究

摘要

中国内河航运繁荣，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，说明了中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。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 国内外船桥碰撞研究现状

1.2.1 船桥碰撞理论研究

1.2.2 船桥碰撞试验研究

1.2.3 有限元仿真研究

1.2.4 桥墩防护结构研究

1.3 依托工程的项目概况

1.3.1 主桥结构设计

1.3.2 气象、水文与地质条件

1.3.3 桥区航道条件及通航状况

1.3.4 通航标准

1.4 研究目标与研究内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.5 拟解决的关键问题

1.6 研究方法与技术路线

第2章 船桥碰撞力简化计算方法

2.1 引言

2.2 经验公式

（1）沃辛公式

（2）Petersen 公式

2.3 规范公式

2.3.1 美国AASHTO规范

2.3.2 国际桥梁与结构工程协会IABSE规定

2.3.3 中国公路桥涵设计规范

2.3.4 中国铁路桥涵设计规范

2.4 各经验公式与规范公式对比讨论

2.4.1 关于船舶吨位影响的对比讨论

2.4.2 关于船舶速度影响的对比讨论

2.5 本章小结

第3章 大跨度斜拉桥竖向曲线塔墩船撞分析

3.1 引言

3.2 船撞分析数值仿真基本理论

3.2.1 非线性有限元控制方程

3.2.2 显式积分的时间步长

3.2.3 材料的屈服条件

3.2.4 接触算法与摩擦

3.3 船舶撞击斜拉桥塔墩数值仿真分析

3.3.1 碰撞仿真有限元模型的建立

3.3.2 船舶撞击参数的确定

3.3.3 数值模拟结果分析

3.4 大跨度斜拉桥塔墩船撞力标准值的确定

3.4.1 数值模拟与简化公式计算值对比分析

3.4.2 船舶撞击力标准值的确定

3.5 本章小结

第4章 钢-泡沫铝填充结构防撞装置防撞效果分析

4.1 引言

4.2 闭孔泡沫铝材料力学特性及其应用

4.2.1 闭孔泡沫铝材料力学特性

4.2.2 闭孔泡沫铝材料的工业应用

4.3 钢-泡沫铝填充结构防撞装置

4.3.1 桥梁防撞基本要求

4.3.2 防撞系统的选型

4.3.3 防撞装置构造

4.4 带有防撞装置有限元碰撞模型的建立

4.4.1 有限元碰撞模型

4.4.2 模型分析工况

4.5 钢-泡沫铝填充结构防撞装置防撞效果分析

4.5.1 数值仿真结果分析

4.5.2 与其他防撞装置的对比讨论

4.6 本章小结

第5章 钢-泡沫铝填充结构防撞装置耐撞性影响参数分析

5.1 引言

5.2 耐撞性指标与参数分析基准模型

（1）耐撞性指标

（2）基准模型的选取

5.3 泡沫铝密度对防撞装置耐撞性的影响分析

5.3.1 参数对比关系

5.3.2 计算结果对比分析

5.4 结构刚度对防撞装置耐撞性的影响分析

5.4.1 参数对比关系

5.4.2 计算结果对比分析

5.5 撞击速度对防撞装置耐撞性的影响分析

5.5.1 参数对比关系

5.5.2 计算结果对比分析

5.6 撞击角度对防撞装置耐撞性的影响分析

5.6.1 参数对比关系

5.6.2 计算结果对比分析

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得研究成果