桥梁通航论证关键技术研究

摘要

随着国民经济的快速发展，我国的交通现代化建设取得了重大进展。连接通航河流两岸交通网的跨江大桥数量飞速增长，这些跨江大桥成为我国交通现代化的一个重要标志，为我国经济腾飞起到了推动作用。 在跨江大桥数量不断增加的同时，通航船舶流密度正逐年增大。大桥建成后位于江中的桥墩对船舶的正常通航会产生较大的妨碍，尤其在洪水期影响会更大，导致桥位河段的地形和通航环境发生改变。为了分析研究大桥可能对桥区通航环境造成的影响，全面掌握船舶过桥时的动态及其影响因素；在桥区的船舶通航安全管理中，科学、合理的疏导过往船舶，确保船舶通航安全和桥梁安全，对桥位河段的船舶通航情况进行科学论证和开展相关研究是非常必要的。 本文来源于交通部的“内河航道通航条件关键技术研究”专题项目，同时论文以武汉理工大学航运学院承接的江苏省交通厅关于“苏通长江公路大桥船舶通航实船试验及模拟研究”和“苏通大桥船舶失控漂移对桥梁的影响研究”专题项目为依托。论文的研究工作主要包括以下几个方面： (1) 根据国内外有关对影响通航安全评价指标因素的研究成果以及有关调查统计数据，设定各评价指标因素的危险度评价标准；在此评价标准基础上确定各评价指标因素的危险度评价标准隶属度子集表；建立单因素模糊评价模型；在单因素模糊评价模型的基础上，结合各指标因素的权重分析，建立多层次、多指标模糊综合评价的大桥水域通航环境危险度数学模型。 (2) 通过组织大型顶推船队和大型海船在桥位处进行实船会船和操纵性试验，测量上下行过桥时的实船航迹，运用流体力学和船舶操纵理论，建立船舶上、下行通过大桥时的漂移量数学模型，并以此确定不同船舶上、下行过桥时所需航宽的大小。通过对船舶过桥状态进行计算机模拟，结合桥位河段船舶通航的远景规划，验证大桥通航净宽。 (3) 根据目前桥梁建设的实际情况，通过水槽试验，给出桥墩与航道边线之间桥墩紊流宽度的计算公式。 (4) 根据船舶操纵理论，建立失控船舶漂移对桥梁影响的运动状态数学模型，并运用数学模型对典型海船和内河大型顶推船队在不同通航环境条件下和不同位置失控后的运动状态、轨迹及相关参数进行理论分析计算。按冲程和漂航两个阶段，分别计算船舶在不同通航环境条件下和不同位置失控后，在风流作用下的漂移轨迹、漂移至桥位时船舶的横漂距离、漂移时间、运动方向、速率。 通过对船舶失控后运动状态分析，确定其对桥梁存在碰撞危险的失控区域和船舶产生碰撞桥墩危险时可能的碰撞位置：计算船舶失控后碰撞桥墩的概率，并根据计算结果，提出相应的预防或减小船舶失控后碰撞桥梁的措施。 (5) 用Visual C++编写可视化的界面程序，利用这些数学模型，模拟不同船舶在不同环境参数和操纵参数下的航迹。 运用MATLAB工具绘出不同风速、风向、流速、流向、航速和航向多变量情况下船舶漂移量变化曲线。 本文通过实船试验、水槽试验，建立了船舶通过桥梁所需航宽的数学模型，通过计算确定各类船舶(队)能否安全通过桥区，为桥墩的选址优化提供了重要参考依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的、意义

1.3与本课题有关的国内外研究现状分析

1.4本文研究的主要内容

第2章桥梁对通航的影响及船舶撞桥事故统计分析

2.1全国主要通航河流桥梁现状

2.1.1长江水系主要通航河流桥梁现状

2.1.2珠江水系主要通航河流桥梁现状

2.1.3黑龙江水系主要通航河流桥梁现状

2.1.4京杭运河桥梁现状

2.1.5其它主要通航河流桥梁现状

2.2建桥对通航影响及其经验教训

2.2.1桥址选择对通航的影响

2.2.2桥梁净空对通航影响

2.2.3桥梁墩孔布设对通航影响

2.3船舶撞桥事故统计与分析

2.3.1船舶撞桥事故总体统计分析

2.3.2撞桥事故原因分析

2.4 小结

第3章桥梁选址的风险评估

3.1模糊综合评价与层次分析法(AHP)

3.1.1模糊综合评价原理

3.1.2层次分析法原理

3.2桥区水域通航环境系统安全分析

3.2.1主要危险因素

3.2.2评价指标的确定

3.2.3评价集的确定

3.2.4各评价指标因素的分析与评价标准的确定

3.2.4评价指标权重的确定

3.2.5单因素评价与隶属函数

3.3武汉长江大桥水域通航环境安全评价

3.3.1武汉长江大桥水域通航环境安全评价指标值的确定

3.3.2武汉长江大桥水域通航环境安全评价结果

3.4 小结

第4章船舶过桥航宽的数学模型

4.1《内河通航标准》(2004)中通航净宽论证存在的问题

4.2船舶漂移量模型的建立

4.2.1流致漂移量模型

4.2.2风致漂移量模型

4.2.3船舶总漂移量的计算模型

4.2.4模型的实船试验验证

4.3桥墩与航道边线之间的安全距离研究

4.3.1桥墩紊流区的概念

4.3.2试验方法

4.3.3模型设计

4.3.4试验结果

4.3.5试验结果分析

4.3.6桥墩紊流宽度公式推导

4.3.7主要结论

4.4船舶过桥航宽的数学模型

4.5苏通长江公路大桥通航净宽论证

4.5.1船舶过桥时航迹带宽度计算

4.5.2船舶过桥时的风致漂移量计算

4.5.3桥墩与航道边线的安全距离计算

4.5.4风流联合作用下的航行方法

4.5.5安全保障措施与建议

4.6小结

第5章失控船舶撞桥概率分析与预报

5.1船撞桥概率研究现状

5.2失控船舶数学模型的建立

5.2.1失控船舶坐标的建立

5.2.2失控参数的确定

5.3失控船舶撞桥概率计算

5.3.1船舶失控时的过桥状态分析

5.3.2危险失控区域的确定方法

5.3.3失控船舶碰撞桥墩概率的计算

5.4小结

第6章失控船舶碰撞概率数值计算的计算机实现

6.1工具的选择

6.1.1 MATLAB软件简介

6.1.2系统硬件配置

6.1.3系统软件平台

6.2软件的设计

6.2.1软件设计的流程

6.2.2参数设置界面

6.2.3数据计算界面

6.2.4曲线绘制界面

6.3算例

6.4 小结

第7章全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及科研情况