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原文传递船撞桥墩仿真分析及下构安全概率评估

论文题名：	船撞桥墩仿真分析及下构安全概率评估
关键词：	船撞桥墩;船撞力峰值;显式非线性动力;人工神经网络;安全性
摘要：	在我国繁忙的内河流域，船桥碰撞事故频繁发生。虽然并不是每一个船撞桥梁重大事故会造成桥毁人亡，但是桥梁在船撞后的结构安全可靠性、使用寿命等方面将受到相当大的影响。内陆河流桥梁桥墩通常是在深水环境中，大桥工作环境恶劣，水流力及桩土作用同时伴随着船撞力冲击效应，使得桥墩结构防撞设计更加复杂，施工难度更大。无论是从安全角度考虑，还是从经济和环保角度来看，工程人员都需要准确地计算碰撞力，知道桥梁损伤后的影响，为维修加固决策的基础。因此，快速准确的计算出船舶碰撞桥墩的冲击力，利用概率统计方法系统的研究桥梁受船撞后的安全性，无论在理论上还是在工程应用方面都具有非常重要的意义。本文基于理论分析推导、数值仿真模拟、现场检测等方式，开展了以下四个方面的研究工作：　　（1）探讨内河流域中的代表性驳船撞击桥墩的数值仿真分析中涉及的基本理论及关键技术，运用 ANSYS参数化设计语言 APDL建立精准且高效的有限元模型，分析讨论了船撞桥墩的接触碰撞算法、驳船模型的简化处理方法、模型网格划分技术以及材料本构的选取和其失效准则的判定方法，为构建计算驳船-桥墩撞击力的神经网络打下基础。由船撞桥墩仿真分析和文献中足尺试验的结果对比发现，以K&C混凝土损伤本构模型模拟桥墩计算碰撞力峰值与试验结果吻合最好。　　（2）基于本文建立的驳船-桥墩碰撞的非线性有限元动力模型，对影响碰撞时程中撞击力峰值的各项因素做灵敏度分析，找出与撞击力最相关的因素；引入有导师学习的人工神经网络技术，为神经网络的学习规则提供一系列经过验证的训练样本，即网络输入/输出对（高灵敏度影响因素/驳船-桥墩撞击力峰值）；运用训练好的神经网络回归拟合出计算驳船-桥墩撞击力峰值的简明公式。　　（3）基于波浪理论并考虑附加水质量，推导船桥碰撞过程中，计算水流力效应的波浪理论分析方法，分别建立无水流作用和考虑水流力作用的船撞深水桥墩的数值模型，分析比较验证了波浪理论分析方法的合理性及计算精确性；针对一起船撞高桩承台桥桥墩的事故实例，采用数值分析和现场检测的结果对比，进行墩柱、承台和桩基础损伤的系统研究，对撞击作用下桩柱及承台内力效应、破坏模式、破坏发生的可能部位做深入分析，结果表明在船-结构-水多物理场系统耦合作用下，桥墩结构高应力发生于船撞直接接触区、受载截面特性突变处即墩柱与承台连接区、桩基与承台连接区，事故中受撞击的3＃桥墩损伤程度较大，建议采取加固措施；5＃桥墩完好，建议继续使用。　　（4）基于随机FEM法和结构可靠性分析理论，研究内河流域桥梁下部结构遭到驳船撞击后的安全状态：建立桥梁下构受驳船撞击的概率模型，该模型同时考虑船撞作用及水流作用效应，利用拉丁超立方抽样法（LHS）研究下构关键截面承载力及船撞响应的概率分布；将桥梁下构视为混联体系，采用设计验算点法对其进行船撞后的可靠性分析，以下部构件遭受船撞及水流力耦合作用后，横桥向及顺桥向的可靠指标推算整个体系的失效概率。结果表明高桩承台桥梁下部结构在船撞及水流力耦合作用下，其关键截面的内力响应服从正态分布，采用?2拟合优度检验均达到很高的置信水平；在顺桥向船舶冲撞作用下，更容易发生弯曲破坏模式；在横桥向船舶冲撞作用下，更容易发生剪切破坏模式。
作者：	陈楚龙
专业：	结构工程
导师：	朱宏平;高荣雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文