船舶与千米级斜拉桥碰撞数值仿真及桥墩防撞装置分析

摘要

现于今科研人员都是采用数值模拟分析的方法研究船桥碰撞问题。本文采用大型有限元分析软件LS-DYNA，以安徽省内某千米级斜拉桥为背景，进行了整船整桥碰撞模拟分析。依据模拟分析得到的最大碰撞力、动态响应等数据，为桥梁设计提供参考依据。最后为大桥设计了一种浮式防撞装置，通过模拟分析对防撞装置的防撞性能进行评估。本文主要工作及结论如下:
　　(1)简要介绍了船桥碰撞基本理论及国内外各种简化公式，对数值模拟中涉及的若干关键技术进行了详细讨论。
　　(2)建立了整船、整桥及防撞装置有限元模型，采用HJC动态本构模型对混凝土进行模拟，并且考虑了桩-土间的相互耦合作用。
　　(3)对碰撞速度、角度、水位以及承台形状进行了参数分析，并对不同工况下的碰撞力、能量吸收、桥梁的动力响应等进行对比，得到如下结论:随船舶碰撞速度的增加，碰撞力峰值及碰撞持续时间相应增大;碰撞过程中，承台与桩柱的接触部位为除直接受到船舶撞击之外的最危险部位;船桥正撞与斜撞是不同性质的碰撞，船舶正碰时，碰撞力峰值、碰撞持续时间及桥塔顶横桥向位移最大;水位不同造成船舶碰撞接触面积及位置的不同，其中随着碰撞接触面积越大，碰撞力峰值相应增大，碰撞持续时间相应减小，而船舶碰撞实心承台得到的碰撞力峰值要比碰撞空心薄壁墩得到的碰撞力峰值大，桥塔顶横桥向位移则小;相比于矩形承台，圆形承台降低了碰撞力峰值，延长了碰撞持续时间。
　　(4)依据碰撞力峰值、碰撞持续时间、能量吸收及动态响应对防撞装置进行性能评估，防撞装置的使用降低碰撞力峰值、增大碰撞持续时间、吸收船舶动能，从而保护了桥梁的结构安全。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 船桥碰撞问题研究

1．2．1 有限元数值仿真研究

1．2．2 其他研究方法

1．3 桥梁船撞力实用计算公式

1．4 桥梁防撞系统研究概状

1．5 本文主要研究内容和方法

第二章 船桥碰撞有限元计算方法

2．1 显示时间积分算法

2．2 碰撞接触算法

2．3．1 穿透问题

2．3．2 沙漏控制

2．3．3 时间步长控制及质量缩放

2．3．4 其他应注意问题

2．4 本章小结

第三章 船桥碰撞数值模拟方法

3．1．1 基本情况

3．1．2 主塔及主梁设计

3．2 桥区地质条件、通航情况及防撞方案的确定

3．2．3 防撞方案

3．3 整船有限元计算模型

3．3．1 船艏结构及处理办法

3．3．2 船用钢材本构模型

3．4 整桥及防撞装置有限元计算模型

3．4．1 整桥及防撞装置模型的处理

3．4．2 相关材料本构模型

3．4．3 桩土相互作用

3．5 船桥碰撞接触的设置

3．6 本章小结

第四章 船桥碰撞参数分析

4．1 速度的影响

4．1．1 碰撞力分析

4．1．2 位移响应分析

4．1．3 桥塔应力分析

4．2 角度的影响

4．2．1 正斜碰撞差异

4．2．2 碰撞力及位移响应分析

4．3 水位的影响

4．4 桥墩形状的影响

4．5 防撞装置的影响

4．5．1 碰撞力分析

4．5．2 位移响应分析

4．5．3 能量变化分析

4．6 本章小节

第五章 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 研究展望

参考文献