基于接触和耦合非线性的船桥碰撞动力响应研究

摘要

由于公路铁路交通网络的迅速发展，跨越繁忙航道的桥梁数量不断增多，船桥碰撞问题正受到越来越多的关注。船桥碰撞属于典型的冲击动力学问题，对船桥系统的动力响应进行分析有着重要的研究意义。对船桥组成的多柔体系统，以往的研究局限于弹性范围，船桥接触非线性、桥梁结构阻尼以及桥梁基础与附连水体的动力耦合非线性作用均未能予以考虑。因此，对船桥碰撞的多柔体系统模型进行完善，并对其动力响应进行研究是很有意义的。
　　本文基于接触非线性、桥梁结构阻尼和桩水耦合非线性——动水压力作用，对船桥多柔体系统模型进行了改进，建立非线性Lagrange方程组，引入自适应Runge-Kutta法对该方程组进行数值求解，并对考虑与未考虑接触非线性、桥梁结构阻尼和动水压力作用的船桥多柔体系统的动力响应进行了研究。
　　首先针对考虑接触非线性、桥梁结构阻尼和桩水耦合非线性后的船桥碰撞的非保守系统，对含非保守力的船桥多柔体系统的Lagrange方程进行了推导，建立非线性Lagrange方程组，并采用自适应Runge-Kutta法作为该方程组的数值解法。
　　其次在船桥接触问题的研究中引入了由Zhang和Pedersen提出的船艏非线性变形模型，得到非线性撞击力的表达式并将其代入Lagrange方程组中进行数值求解。将考虑与未考虑接触非线性的动力响应计算结果进行了对比分析，发现考虑非线性后墩顶位移的峰值明显小于线性解；并将计算得到撞击力峰值与主要规范比较，发现非线性解相比线性解更加准确，证明了接触非线性不可忽略。
　　再次将瑞利阻尼引入到船桥多柔体系统中作为桥梁结构的阻尼模型，得到阻尼力的表达式代入Lagrange方程组中进行数值求解。将考虑与未考虑阻尼的动力响应计算结果进行了对比分析，发现阻尼对墩顶位移时程影响明显，但对撞击力值影响不大。此外，就主要参数对考虑接触非线性及结构阻尼的动力响应的影响进行了研究，发现动力响应将随着船舶质量、撞击速度的增大而增大。
　　最后本文采用Morison方程作为动水压力作用计算方法，将考虑动水压力作用与不考虑动水压力作用的计算结果进行对比分析，发现考虑动水压力后桥梁的动力特性将发生改变，且动力响应的增大较明显。此外，将考虑与不考虑动水阻尼项的计算结果进行对比分析，发现动水阻尼项对计算结果影响不大，简化计算时可忽略。
　　本文得出的结论表明，接触非线性、桥梁结构阻尼和桩水耦合非线性对船桥碰撞动力响应的影响明显，在相关研究中需要考虑这些因素。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3存在的问题

1.4本文研究的主要内容和工作

第二章 船桥多柔体系统模型的建立

2.1多柔体系统碰撞动力学的建模方法

2.2船桥多柔体系统碰撞的耦合特性

2.3船桥多柔体系统模型

2.4本章小结

第三章 考虑接触非线性及阻尼的动力响应研究

3.1船桥接触非线性

3.2桥梁结构阻尼

3.3接触非线性与阻尼作用下的桥梁动力响应分析

3.4参数对桥梁动力响应的影响

3.5本章小结

第四章 考虑桩水耦合非线性的动力响应研究

4.1动水压力对桥梁动力反应影响的研究现状

4.2流固耦合基本理论

4.3考虑动水压力的桥梁动力响应的分析方法

4.4动水压力作用下桥梁的动力响应分析

4.5动水阻尼项对桥梁动力响应的影响

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1研究结论

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢