船桥碰撞及桥墩防撞设施研究

摘要

随着交通运输事业的不断发展，船舶、汽车和火车交通量增大，因而受船舶撞击而诱发的桥梁垮塌事件正在日益增多。资料统计表明，最近几十年来，世界上发生的船舶撞墩毁桥的重大事故就超过100余起。这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失，严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果。因此，开展船桥碰撞及桥墩防撞设施的研究，提高桥梁的耐撞性都具有十分重要的意义。 本文对船桥碰撞及桥墩防撞设施的国内外研究现状进行了的阐述；对桥墩周围的水流结构进行了分析，得出桥孔的布设考虑到建桥后桥墩对河床演变的影响，不要对上、下游河势及航道水流条件产生显著的影响的结论；对船舶过桥的影响及船桥碰撞机理作了研究，阐述了船桥碰撞研究中常用研究方法，认为计算机仿真技术及非线性有限单元法在船撞桥研究中的应用越来越广；通过查阅国内外文献，按照日本学者岩井·聪提出的桥墩防撞设施的分类方法，对桥墩的防撞设施进行了综合阐述，并对我国常用的几种防撞保护系统比较，得出钢箱型防撞装置使用效果较好；按照岩井·聪提出的桥墩防撞设施的分类方法，对目前已有桥梁防撞设施的使用情况以及适用场合进行了评述；在对船桥碰撞研究方法分析的基础上，结合已有的船桥碰撞防撞设施，利用船舶碰撞防撞设施非线性有限单元法结论提出了船桥碰撞防护的结构优化与改进方案，即：增加横向加强肋可作为对船首结构的耐撞性进行改进的一条途径；薄壁圆管的吸能特性较其他型式的骨材要好，可明显改善外壁板的吸能效果，可在防撞装置的设计中应用以提高其耐撞力、改善其耐撞性能；加筋板格的布置形式对外板能量吸收特性有显著影响，合理的筋格布置既可节约材料又能有效提高结构的吸能率。最后对本文的研究工作作了总结并进行了研究展望。 本文旨在对桥墩的防撞原理及防撞设施进行总结与归纳，希望对桥墩的防护工作起到一定的参考作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究的现状

1.3桥墩周围水流结构分析

1.3.1桥墩周围水流结构的理论分析

1.3.2桥区的水流特征

1.4船桥碰撞研究概况

1.5桥墩防撞设施研究概况

1.6课题研究的内容和框架

第2章船桥碰撞研究方法

2.1实验研究法

2.2简化解析法

2.3经验公式法

2.4数值模拟方法

2.5计算机仿真技术在船撞桥中的应用

2.5.1碰撞运动方程

2.5.2显式积分格式及其稳定性条件

2.5.3接触-碰撞界面算法

2.5.4材料的应变率敏感性

2.6非线性有限单元法

2.6.1有限元法的发展及应用

2.6.2非线性有限元理论

第3章桥墩防撞设施应用现状

3.1防撞保护设施的分类

3.2桥墩防撞设施系统综述

3.2.1护舷方式

3.2.2绳索方式

3.2.3木结构方式

3.2.4混凝土结构方式

3.2.5钢结构方式

3.2.6桥梁防撞中的新材料

3.2.7重力式方式

3.2.8集群桩方式

3.2.9防撞墩方式

3.2.10防护板防护系统方式

3.2.11薄壳筑砂围堰方式

3.2.12双壁钢围堰方式

3.2.13人工岛方式

3.2.14浮体系泊索方式

3.3我国常用的几种防撞保护系统比较

第4章桥墩防撞设施评述

4.1直接构造弹性变形型—缓冲材料方式

4.1.1防撞原理

4.1.2结构形式

4.1.3优缺点

4.1.4创新点

4.2直接构造抗压变形型—缓冲体方式

4.2.1防撞原理

4.2.2结构形式

4.2.3优缺点

4.2.4创新点

4.3直接构造变位型—重力方式

4.4间接构造弹性变形型—桩群方式

4.4.1防撞原理

4.4.2结构形式

4.4.3优缺点

4.5间接构造抗压变形型—薄壳筑沙围堰和人工岛方式

4.5.1薄壳筑沙围堰

4.5.2刚性人工岛

4.5.3优缺点

4.6间接构造变位型—浮体系泊方式

4.6.1防护机理

4.6.2创新点

4.6.3优缺点

4.7新型防撞装置的设计思路

4.7.1储能—释能装置

4.7.2吸能装置

第5章船桥防撞结构的优化与改进

5.1 ANSYS/LS-DYNA程序

5.2 ANSYS/LS-DYNA程序算法

5.2.1控制方程

5.2.2有限元离散化

5.3对船首结构的改进

5.4对套箱结构的改进

5.4.1管状梁(薄壳结构)与其他剖面型式梁的比较

5.4.2对板加筋型式的讨论

5.5船桥防撞结构优化建议

第6章结论

6.1本文的研究总结

6.2研究的局限性与展望

参考文献

致 谢