船舶撞击下连续梁桥的桥墩动力响应及整桥局部倒塌研究

摘要

本文以接触碰撞理论、流构耦合理论以及动力有限元法为基础,采用LS-DYNA有限元分析软件,以实际工程事故为背景,分析了船舶撞击下桥墩的动态响应及其变化规律、讨论了各撞击参数对桥墩动力响应的影响以及连续梁桥下部结构在碰撞过程中的的损伤演化、变形发展、应力分布以及整桥局部倒塌的过程,揭示了连续梁桥在遭受船舶撞击后局部破坏以及倒塌的机理,为连续梁桥的防撞设计提供了参考依据。本文主要研究工作及成果如下:
　　(1)借助ANSYS/LS-DYNA建立了船舶、桥墩以及连续梁桥整桥等的三维有限元模型,考虑了桩-土及桥墩-流体间的相互耦合作用,并将粘弹性人工边界引入船桥碰撞问题。
　　(2)创建了船舶撞击连续梁桥桥墩的三种计算模型:不考虑流体影响、附加质量以及流构耦合模型,对比了不同计算模型对应的系统能量变化、碰撞力、撞深、位移响应、内力响应以及应力分布的特点,通过对比发现:流体介质在碰撞中参与了能量交换,对桥墩结构各动力响应影响不大,但能够有效降低碰撞船舶的损毁程度;附加质量模型虽会略微夸大桥墩结构的动力响应,但差异很小且能够近似考虑流体介质的影响而不浪费大量计算资源。
　　(3)对水位、碰撞角度、船舶速度以及吨位等进行了参数分析,对比了不同工况下桥墩的动力响应,得到如下结论:随着水位的增加,碰撞力峰值及桥墩截面剪力和弯矩相应增加,位移响应差别较小;船舶正碰时,碰撞力峰值、桥墩位移及截面内力最大;随船舶速度的增加,碰撞力及桥墩截面剪力相应增大,弯矩反而有所降低,表明桥墩变形有从整体弯曲向剪切变形过渡的趋势;随着船舶载重吨位的增加,碰撞力峰值、桥墩和承台的位移增大,但位移的变化受载重吨位的影响更显著。
　　(4)对某连续梁桥遭受船舶撞击后局部倒塌过程进行了数值仿真,整个计算过程分为加载、碰撞以及倒塌三个阶段,重现了连续梁桥遭船撞后局部倒塌的过程,分析了整桥位移、变形、应力、内力的变化以及连续梁桥的局部破坏和倒塌机理,得出被撞桥墩的失稳垮塌及其上部箱梁过度变形对邻跨的牵连作用是导致整桥局部倒塌的主要原因。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3存在的问题

1.4本文研究工作

第二章 碰撞问题的算法理论及其有限元实现

2.1接触碰撞算法

2.2船桥碰撞问题的数值求解

2.3流体-结构耦合算法

2.4显示动力求解的关键技术

2.5本章小结

第三章 材料本构模型及其参数确定

3.1 HJC混凝土本构模型

3.2 MAT_Concrete_Damage混凝土本构模型

3.3不同混凝土本构模型的对比验证

3.4其他材料本构模型

3.5本章小结

第四章 船舶撞击下桥墩的动力响应

4.1船舶有限元模型

4.2桥墩有限元模型

4.3附加质量计算模型

4.4流构耦合计算模型

4.5计算结果分析

4.6计算效率对比

4.7本章小结

第五章 船舶撞击下桥墩动力响应的参数分析

5.1水位的影响

5.2碰撞角度的影响

5.3船舶速度的影响

5.4船舶吨位的影响

5.5本章小结

第六章 船舶撞击下连续梁桥整桥局部倒塌分析

6.1连续梁桥模型

6.2桩土相互作用

6.3水对船桥碰撞的影响

6.4碰撞前的初始条件

6.5船桥碰撞阶段

6.6连续梁桥整桥局部倒塌阶段

6.7比较和验证

6.8本章小结

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

致谢