桥墩遭受船舶撞击下的动力响应及其防撞结构研究

摘要

伴随着交通运输事业的迅速发展，船桥相撞的事故屡屡发生，已受到越来越多的关注和研究。本文基于多种力学理论和数值模拟技术，采用LS-DYNA软件，研究了桥墩遭受船舶撞击时的动力响应及其变化规律，并讨论了各撞击参数对桥墩动力响应的影响；总结了前人对防撞结构的设计思路，并设计了桥墩防撞结构；通过研究船舶撞击桥墩防撞结构时桥墩和船舶的动力响应，对比分析了防撞结构的有效性，并讨论了各碰撞参数对桥墩和船舶动力响应的影响。本文的主要研究工作和研究成果如下：
　　（1）借助ANSYS/LS-DYNA建立了桥墩分离式附加质量模型和船舶模型，并模拟了船舶撞击桥墩的全过程。通过分析碰撞过程中桥墩和船舶的动力响应发现：墩柱的位移会滞后于承台；桩基在与承台连接处和土体顶面处会出现高应力区。
　　（2）对水位、桩基纵筋直径和桩基直径进行了参数分析，对比了不同工况下桥墩和船舶的动力响应，得到以下结论：随着水位的增加，桥墩的位移、桩基顶部截面的剪力和弯矩以及船艏的撞深也会随之增加；随着桩基纵筋直径和桩径地增加，桥墩的位移会显著减少，桥墩的变形回弹速度和船艏的撞深会显著增加。
　　（3）设计了本文中的桥墩防撞结构，并比较了船舶撞击桥墩防撞结构时与直接撞击桥墩时，桥墩和船舶的动力响应。分析发现：防撞结构能够在撞击中起到很好的缓冲作用，能够显著的减少传递给桥墩的碰撞力；添加防撞结构后，桥墩和船舶在撞击时的动力响应会显著降低。
　　（4）讨论了水位、碰撞位置、防撞结构外钢围强度和橡胶硬度对撞击结果的影响，得到以下结论：碰撞力峰值和桥墩动力响应会随着水位的增加而增加，船艏撞深差别较小；船舶撞击防撞结构斜面时，桥墩和船舶的动力响应较正碰时大幅度减小；随着防撞结构外钢围强度的增加，桥墩和船舶的动力响应都会随之增大，船艏撞深受外钢围强度的影响更显著；橡胶的硬度过高和过低时，桥墩和船舶的动力响应都会较大，说明橡胶硬度应合理选取。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2船桥碰撞的研究现状

1.3桥墩防撞结构的研究现状

1.4存在的问题

1.5本文的研究工作

第二章 船桥碰撞非线性有限元分析方法

2.1碰撞接触算法

2.2非线性有限元控制方程

2.3显式动力求解方法及关键技术

2.4材料模型

第三章 桥墩遭受船舶撞击下的动力响应研究

3.1桥墩分离式有限元模型

3.2船舶有限元模型

3.3附加质量计算模型

3.4桥墩遭受船舶撞击的数值模拟分析

3.5船舶撞击下桥墩动力响应的影响因素分析

3.6本章小结

第四章 桥墩防撞结构研究

4.1防撞结构的设计思路

4.2防撞结构模型

4.3船舶撞击防撞结构的数值模拟分析

4.4本章小结

第五章 船舶撞击防撞结构时桥墩动力响应的参数分析

5.1不同水位深度的影响

5.2不同撞击位置的影响

5.3不同外钢围强度的影响

5.4不同橡胶硬度的影响

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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