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原文传递群桩与浮式套箱组合装置防撞性能研究

论文题名：	群桩与浮式套箱组合装置防撞性能研究
关键词：	桥梁防撞装置;防撞性能;船撞力;有限元模型
摘要：	随着我国交通运输业日益发达，船舶运输逐渐增多，桥梁数目也随之增加，船桥碰撞事故频发，而碰撞事故会导致巨大的经济损失及人身安全问题，因此研究船桥碰撞问题及桥梁防撞装置是十分必要的。桥梁的自身特点及周围环境不同，需要设置相应的防撞装置，国家交通运输部发布的《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》中指明应根据桥梁安全风险及抗撞性能综合分析，因桥施策，抗撞性能不满足要求的桥梁，应优先采取设置防撞设施，其中旧桥防护问题较为突出，旧桥设计承载能力较弱，难以在桥墩上增设附着式防撞装置；桩式防撞装置独立与桥墩之外，不额外增加桥墩的负重，适用于旧桥防护。本文针对旧桥防护问题，采用数值仿真方法开展了群桩与浮式套箱组合防撞装置的防撞性能研究，对比分析了不同参数下防撞装置的碰撞力、桩身水平位移、变形及根部应力情况，获得了一种防撞性能优异且适用于旧桥防护防撞装置。本文的主要研究内容及其结论如下：　　(1)采用六种船撞力规范计算公式及数值仿真方法分别计算了1000DWT、3000DWT和5000DWT船舶碰撞力。结果显示，多种规范的船撞力都是随着速度线性增加，计算值均不一致；数值仿真方法可对碰撞过程中的碰撞力、能量变化和变形等响应结果进行详细地描述，适用于桥梁防护设计研究。　　(2)建立了1000DWT船舶撞击防撞桩的有限元模型，探讨了附连水、桩土相互作用及不同工况对计算结果的影响。结果显示，附加质量法可有效模拟附连水与船舶之间的相互作用，并且可以节约计算时间成本；桩土作用模拟方法中，通过比较等代土弹簧法和接触单元的碰撞力和桩身入土处水平位移，可知按等代土弹簧进行防撞设计，会使防撞结构的抗撞力低于需求值，不能满足防撞要求；当桩周土达到8倍桩径之后，再增加桩周土范围，碰撞力和桩身入土处水平位移变化幅度较小；船舶以最高水位正撞防撞桩时，碰撞力和桩身入土处水平位移值最大，为最危险工况。　　(3)以某桥作为研究背景，对不同参数如桩形式、桩径、上部桩长和入土深度的群桩式防撞装置进行了碰撞仿真模拟，计算得到了碰撞力时程曲线、桩身入土处位移时程曲线和桩根部水平压应力时程曲线。结果显示，四边桩的碰撞力峰值小于三角桩，且桩身水平位移也明显小于三角桩；桩身入土处水平位移最大值和根部水平压应力在防撞桩桩径达到1.4m后，继续增加桩径，对防撞桩的防撞性能提升并不大，桩径1.4m时，经济效益最佳；上部桩长过长会致使防撞桩与球鼻艏以上部分产生接触，导致碰撞力增大；桩根部水平压应力最大值随着入土深度增加而逐渐减小，入土深度7m和入土深度14m的防撞桩，应力值明显大于其他两种桩，入土深度达到15倍桩径（21m）后，应力值不再发生明显变化。　　(4)建立了四种不同夹层形式的夹层板有限元模型，对比分析了在相同碰撞场景下的响应结果，结果显示，梯型夹层板综合防撞性能最优异。设计了梯形夹层结构防撞套箱，与桩式防撞装置进行组合，得到了群桩与浮式套箱组合防撞装置，通过对比分析有无增设套箱的碰撞力、吸能、位移和应力及变形等计算结果，验证了此种组合防撞装置能够有效保护桥梁及船舶。　　通过本文的研究，探讨了不同建模方式对船撞防撞桩模拟结果的影响，对比分析了不同参数下桩式防撞装置防撞性能的变化规律，获得了一种防撞性能优异的群桩与浮式套箱组合防船撞装置，本文研究成果可为旧桥防护设计提供参考。
作者：	殷发强
专业：	船舶与海洋工程
导师：	潘晋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021