桥墩高性能防撞护舷结构研究

摘要

经济的发展，促进了桥梁建设以及水上运输的发展，船撞桥事故时有发生。船撞桥墩事故会造成人员伤亡、船舶沉没、桥墩撞毁等严重后果。从经济、安全、环境保护等方面来看，采用合理的桥墩防船撞设施具有重大的现实意义。由于经济、技术等方面的原因，往往不能通过大量的实验进行防撞装置的研究，而理论以及有限元方法是解决该类问题的有效途径。 本文在船桥碰撞研究基础上，提出刚度匹配的理念，考虑护舷与船艏刚度比对护舷性能的作用，借助有限元软件进行了刚度比等因素对护舷性能影响的研究。通过计算结果分析，得到关于刚度比的碰撞力、护舷耗能比例简化计算公式，以及高性能护舷的刚度比取值区间。同时，提出分级破坏组合式护舷理念，充分利用 FRP 与低碳钢材料特性，对组合护舷防撞性能进行分析。本文具体研究内容和成果如下： (1)整理了船桥碰撞理论以及研究方法，分析了国内外各种类型防撞装置的工作原理以及使用范围，以实际案例展示了各类防撞装置的优缺点，并提出了分级破坏组合护舷理念。 (2)从船桥碰撞机理出发，讨论了内流河散货船与防撞护舷碰撞过程，提出护舷设计应考虑刚度匹配关系。护舷防撞性能并不是单纯由护舷结构决定，而是受护舷与船艏刚度比影响。护舷耗能随着刚度比的增大而减小。 (3)进行船舶各因素对护舷性能影响的研究。结果表明：防撞护舷的防撞作用，是通过调整船与桥墩的刚度比实现的。合理刚度比，能够有效减小船艏破坏。最大船撞护舷力与速度、船舶质量平方根近似地呈线性关系。随着速度、船舶质量增大，护舷耗能在增加，护舷耗能占总能量的比例在减小。 (4)进行护舷结构对护舷性能影响的研究。以500T内流河散货船撞击各结构护舷工况计算，进行刚度比影响护舷性能案例分析。研究结果表明：在钢板厚度为5mm，整体厚度为0.5m，不填充聚氨酯时，防撞护舷具有较好防护性能，能够降低散货船最大碰撞力34.43%，防撞护舷耗能占总能量的18.56%。 随着刚度比的增大，钢制护舷与船舶最大碰撞力先减小后增大，存在着最大碰撞力最低值。随着刚度比的增大，钢制护舷的耗能比例减小。通过计算结果拟合，获得了关于刚度比的碰撞力以及护舷耗能计算公式。高性能钢制护舷结构，其护舷与船艏刚度比建议取值范围为12-40。 (5)在对钢制护舷以及FRP护舷研究基础上，进行分级破坏组合护舷设计。研究结果表明：同规格的 FRP 护舷在降低最大船撞力方面性能优于钢制护舷；在耗能方面性能弱于钢制护舷。基于分级破坏理念的组合式护舷，能够充分利用两类护舷优势，有效降低船撞力以及提高护舷耗能。

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