船舶撞击高速铁路桥梁的简化模型及动力分析

摘要

随着交通事业的蓬勃发展，许多跨越江河的大型桥梁已经投入使用，同时江河中行驶的船舶的吨位和航速也不断增加。各种因素导致船舶与桥梁相撞事故时常发生。本文建立1900DWT（载重吨位）船型撞击高速铁路桥墩模型，并做出动力放大系数谱，对整体模型进行简化分析，初步评价了结构在船舶撞击作用下的损伤。主要工作如下:
　　1.对国内外船舶撞击桥梁结构引发的重大事故及相关研究现状进行了综述，总结了船舶撞击桥墩研究内容及分析方法，归纳了有关船舶撞击荷载的规范和计算方法及经验公式。
　　2.利用ANSYS/LS-DYNA软件，建立船舶撞击桥墩的有限元分析模型，分别考虑了船头弹性和弹塑性时，船舶以不同船速撞击江河中常见的圆形和圆端形桥墩的各类工况，并得到了船舶撞击力和桥墩结构动力响应的时程曲线。通过对比得到，考虑船头弹性时，最大撞击力、桥墩墩顶位移和墩顶加速度均大于船头为弹塑性时的响应。船舶撞击速度越大，最大撞击力、桥墩墩顶位移和墩顶加速度越大。船舶撞击作用下，圆端形桥墩的墩顶响要小于圆形桥墩的墩项响应。
　　3.借鉴地震反应谱分析方法，将反应谱分析的方法应用于碰撞反应的分析中。将船舶的最大撞击力和船舶航速建立关系，并拟合出关系式。对单自由度系统施加不同速撞击度下的撞击力的动态荷载和静态荷载，得到不同撞击速度下的动力放大系数曲线，并拟合出一条动力放大系数谱。对桥墩进行模态分析，求得桥墩的前十阶频率、振型。利用振型叠加法及得到的动力放大系数谱求得墩顶的动态响应，并和有限元模拟的结果作比较，验证反应谱分析方法的可靠性。
　　4.对有限元模拟的船桥碰撞进行简化，将船舶简化为一个质量点单元，将在碰撞中发生破坏的弹塑性船头模拟为一个非线性弹簧，并将桥墩简化成一个梁单元。利用有限元的时程分析，提取船头最大撞击深度和撞击力的关系，并拟合船头简化模型（非线性弹簧）的刚度曲线。对简化模型进行碰撞分析，并与有限元实体-壳体模型计算得到的动态响应进行对比。结果表明，简化模型的墩顶位移响应略大于实体-壳体模型得到的结果，但相差并不大。简化模型的计算时间远小于实体-壳体模型的计算时间。
　　5.采用冲击作用下的非线性损伤本构模型，模拟了高速铁路简支梁桥墩在船舶撞击作用下，得到桥墩的动力响应，并与船舶撞击线弹性桥墩对比分析。结果表明，船舶撞击作用下，非线性桥墩墩顶的动力响应响应远大于线弹性桥墩墩顶的动力响应。参考高速铁路桥检规范，通过桥墩墩项动力响应评定了高速铁路运行安全。
　　本文主要针对高速铁路常用的简支梁和连续梁桥墩，利用有限元模拟研究在船舶撞击作用下的响应。研究反应谱分析方法，以此算桥墩响应，其结果比有限元法计算结果大，用于桥梁设计相对保守。研究简化的船舶撞击桥墩模型，并基于简化模型求解桥墩动力响应。简化模型所得结果略大于有限元计算结果，但相差不大，表明简化模型准确性很高。研究了桥墩损伤状态下的船舶撞击桥墩动态响应，并根据规范评定桥梁的动力性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 概述

1．2．2 国外的研究现状

1．2．3 国内的研究现状

1．3 本文主要研究的内容

2 船舶撞击桥墩的分析方法

2．1 国内外规范及经验公式

2．1．1 国外规范及经验公式

2．1．2 国内规范及经验公式

2．2 船舶撞击桥墩的分析方法

2．2．1 近似数值解法

2．2．2 简化解析法

2．2．3 实验方法

2．2．4 有限元数值仿真方法

2．2．5 反应谱法

2．3 本章小结

3 船桥碰撞有限元仿真分析

3．1．1 有限元控制方程

3．1．2 有限元离散化

3．1．3 显式与隐式方法的比较

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 模型采用的单元

3．2．2 碰撞分析中的材料模型

3．2．3 船舶撞击桥墩的有限元模拟

3．3 船舶撞击桥墩的时程分析

3．3．1 船舶撞击圆形桥墩的时程分析

3．3．2 船头材料属性对船舶撞击简支梁桥的影响

3．3．3 桥墩形状对船舶撞击简支梁桥的影响

3．3．4 航行速度对船舶撞击简支梁桥的影晌

3．4 船舶撞击连续梁桥的数值模拟

3．4．1 船舶撞击连续梁桥的模型简化

3．4．2 航行速度对船舶撞击连续梁桥的影响

3．4．3 船舶撞击不同跨度连续梁桥的数值模拟

3．5 本章小结

4 船舶撞击桥墩的设计反应谱法

4．1 船舶撞击反应谱法的提出

4．1．1 地震的反应谱法

4．1．2 船舶撞击反应谱法的提出

4．2 船舶撞击高速铁路桥墩的设计反应谱

4．2．1 设计反应谱的理论分析

4．2．2 动力放大系数谱

4．2．3 设计反应谱分析的计算步骤

4．3 基于反应谱法求解撞击作用下简支梁桥墩的动力响应

4．3．1 引言

4．3．2 桥墩的动力特性

4．3．3 基于反应谱法求解撞击作用下桥墩动力响应

4．4 基于反应谱法求解撞击作用下的连续梁桥墩动力响应

4．4．1 连续梁桥墩模态分析

4．4．2 基于反应谱法求解撞击作用下桥墩动力响应

4．5 本章小结

5 船舶撞击桥墩的简化模型

5．1 简化船舶撞击模型的提出

5．1．1 引言

5．1．2 碰撞中船艏刚度的简化

5．2 简化船舶撞击模型

5．2．1 高速铁路简支梁的简化船舶撞击模型

5．2．2 高速铁路连续梁的简化船舶撞击模型

5．3 基于简化模型的船舶撞击桥墩动力分析

5．3．1 基于简化模型的船舶撞击简支梁桥墩动力分析

5．3．2 基于简化撞击模型的船舶撞击连续梁桥墩动力分析

5．4 本章小结

6 考虑桥墩损伤的船舶撞击桥墩的有限元模拟

6．1 冲击作用下的混凝土非线性本构模型

6．2 考虑桥墩损伤的船舶撞击高速铁路桥墩的时程分析

6．2．1 考虑桥墩损伤的船舶撞击方形吨的时程分析

6．2．2 考虑桥墩损伤的船舶撞击高速铁路简支梁桥墩的时程分析

6．2．3 船舶航速对船撞桥墩的动力响应的影响分析

6．2．4 桥墩配筋率对船撞桥墩动力响应的影响

6．3 桥梁动力性能评定标准

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文主要研究内容和结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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