陈家洲湘江大桥桥墩防撞安全性评价与船撞动力响应数值仿真研究

摘要

随着国民经济和交通运输业的迅猛发展，我国跨江与跨海峡大型桥梁的建设进入了一个新的发展时期。船舶通行于桥下时的安全问题将显得越来越重要。所以，对于跨航道桥梁的设计，船舶撞击是一个不容忽视的问题。近年来，仿真分析的方法在船桥碰撞研究中得到了较多的应用。
　　 因此，本文研究工作的意义主要是通过船桥碰撞仿真模拟，可以重现船舶与桥梁的接触、碰撞力、损伤变形和能量吸收的时间历程，这对船桥碰撞力的确定与桥梁结构动力响应分析非常重要。在工程设计中就能较准确地评估桥梁在船撞桥事故中的安全性。本文的主要研究工作如下:
　　 (1)通过国内外船撞桥的研究理论对船桥碰撞的力学机理进行了消化吸收，并且讨论了数值仿真计算中的关键技术，重点围绕显式有限元法的基本控制方程、有限元离散方程、材料应变率敏感性等问题进行展开。
　　 (2)按我国公路桥涵设计规范对陈家洲湘江大桥17#桥墩进行了防撞检算，并根据AASHTO指南对此桥墩进行了风险评估。
　　 (3)对1400吨级货船正撞陈家洲湘江大桥进行了仿真计算，获得了全桥在碰撞中的动力响应，重现了船撞桥碰撞力，碰撞能量的转化，撞击船舶与桥梁结构变形时间历程，并将其结果与防撞安全评估进行了比较与讨论。
　　 (4)针对陈家洲湘江大桥，讨论了船舶撞击角度、船舶速度、船舶质量、桥墩材料这些因素对撞击力与其桥梁结构响应的影响。
　　 (5)通过对陈家洲湘江大桥在不同模型下的船桥碰撞数值模拟分析，得到三种计算模型的特点与适用条件。
　　 最后，对桥梁船撞仿真分析的研究进行了展望，对其中尚需进一步研究的问题进行了总结。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究的背景

1．2 本文研究的意义

1．3 本文的主要内容

第二章 国内外船撞力的研究与发展

2．1 船桥碰撞经典理论

2．1．1 Minorsky理论

2．1．2 Heins-Derucher(汉斯-德鲁彻)理论

2．1．3 数值方法

2．1．4 解析法

2．1．5 试验方法

2．1．6 有限元仿真方法

2．2 船撞力计算公式

2．2．1 Woisin公式

2．2．2 Pedersen公式

2．2．3 AASHTO规范

2．2．4 欧洲规范

2．2．5 挪威桥梁载荷规范

2．2．6 我国《铁路桥涵设计基本规范》TB10002．1-2005

2．2．7 我国《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004

2．3 本章小结

第三章 船桥碰撞计算的有限元方法

3．1 船桥碰撞计算的特点

3．2 LS-DYNA程序介绍

3．3 ANSYS／LS-DYNA有限元控制方程

3．4 显式中心差分法

3．5 时间步长的控制

3．6 接触与摩擦

3．6．1 LS-DYNA动态接触算法简介

3．6．2 接触界面的摩擦

3．7 沙漏控制

3．8 材料应变率敏感性

3．9 网格划分

3．10 本章小结

第四章 陈家洲湘江大桥桥墩防撞安全性评价

4．1 基于我国公路桥涵设计规范桥墩防撞检算

4．1．1 现场调研

4．1．2 计算船撞力

4．1．3 计算桥墩抗力

4．1．4 防撞检算评估

4．2 基于AASHTO指南桥墩防撞风险评估

4．2．1 船撞力计算

4．2．2 偏航概率计算

4．2．3 几何概率计算

4．2．4 倒塌概率计算

4．2．5 倒塌年频率计算

4．3 工程实例

4．3．1 陈家洲湘江大桥概况

4．3．2 桥区航道与航行船只

4．3．3 航道所处自然环境

4．3．4 主要材料

4．3．5 桥墩水平抗力计算

4．3．6 基于我国公路桥涵设计规范桥墩防撞检算

4．3．7 基于AASHTO指南桥墩防撞安全性评价

4．4 本章小结

第五章 陈家洲湘江大桥船撞动力响应分析

5．1 计算模型的建立

5．1．1 船舶有限元模型

5．1．2 陈家洲湘江大桥的有限元模型

5．1．3 流体对船撞影响的处理方法

5．2 计算结果分析

5．2．1 船桥碰撞计算模型

5．2．2 碰撞力时程分析

5．2．3 碰撞能量时程分析

5．2．4 结构的应力与变形

5．3 碰撞角度的影响

5．3．1 碰撞力的比较

5．3．2 桥梁响应的比较

5．4 船舶质量的影响

5．4．1 碰撞力的比较

5．4．2 桥梁响应的比较

5．5 碰撞速度的影响

5．5．1 碰撞力的比较

5．5．2 桥梁响应的比较

5．6 材料参数的影响

5．7 对简化模型的讨论

5．7．1 碰撞力的比较

5．7．2 桥梁响应的比较

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果