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原文传递波折钢板—钢覆复合材料防撞设施冲击试验及性能研究

论文题名：	波折钢板—钢覆复合材料防撞设施冲击试验及性能研究
关键词：	船桥碰撞;钢覆复合材料;波折钢板;防撞设施;摆锤冲击试验
摘要：	船舶撞击桥梁事故频发,引发社会广泛关注。建造性能良好的防撞设施是吸收冲击能量、保护桥梁运营安全的有效措施。目前实际工程中采用的防撞设施普遍存在设计刚度过大、对船艏损伤严重、钢护舷易局部刺穿破坏、防腐性能较低等不足。为此本文提出一种新型的波折钢板-钢覆复合材料防撞结构，可对现有防撞设施存在的不足提供解决方案，具有良好的防护效果和广泛的应用前景。　　本文通过摆锤冲击试验、有限元分析方法对波折钢板-钢覆复合材料防撞设施的防护效果进行研究，主要内容及结论如下：　　（1）对四个防撞单元开展摆锤冲击试验，研究冲击速度、波折钢板对防撞单元抗冲击性能和结构响应的影响。采用力传感器记录冲击力、位移传感器记录结构变形，高速摄像机对冲击全过程进行记录。试验结果表明，提升摆锤冲击速度（2m/s-3m/s）增加冲击力峰值及结构变形30％以上；设置波折钢板使得防撞结构整体变形性能提升并吸收冲击能量，变形模式由局部变形转变为整体变形，减少局部破坏发生。　　（2）采用非线性有限元分析软件LS-DYNA对防撞单元摆锤冲击试验及文献中的钢套箱落锤冲击试验开展数值模拟。模拟结果与试验冲击力、位移、结构变形模式等方面吻合良好，其中冲击力峰值模拟误差均小于8%；分析表明考虑钢材应变率效应对准确模拟冲击试验结果具有重要意义（未考虑时误差达到20%）；验证建模方法对模拟低速冲击下防撞设施力学响应及结构变形的有效性和合理性，为后续防撞设施防护性能分析提供基础。　　（3）以某实际桥梁墩柱为背景，基于已验证的有限元建模方法，对波折钢板-钢覆复合材料防撞设施展开参数分析，评估其对墩柱的防护性能。分析结果表明，船舶直接冲击会对墩柱造成较大的结构响应，设置波折钢板-钢覆复合材料防撞设施能够在冲击力峰值、墩柱损伤、桥墩墩底剪力和弯矩等方面明显减弱桥墩结构响应，兼顾对船艏的保护。不同船舶速度（1m/s-5m/s）、船舶质量（500t-2500t）工况中，冲击力峰值削减率均超过30%，冲击力持时增加0.2s-0.5s，墩底剪力和弯矩峰值降幅在10%-40%；冲击力曲线波峰数量受到船艏纵桁布置形式影响；提升钢面板厚度（4mm-12mm）增加防撞设施刚度，减小撞击深度并保持冲击力峰值削减率在20%以上；波折钢板配置量（0%-48%）增加使防撞设施在保持相同耗能水平基础上减小撞深0.672m；斜撞工况（15°-45°）中该防撞设施能够有效拨转船头，有效降低船舶动能-内能转换量，冲击力峰值削减率超过47%，对船、桥、防撞设施三者共同形成保护。　　（4）建立某实际工程全桥模型，采用两种船型评估该防撞设施在实际工程中的撞击防护效果。结果表明，防撞设施可以避免承台及桥墩混凝土压碎破坏，降低船艏损坏程度。正撞工况冲击力峰值降低约34.03%，斜撞工况降低约48.66%；防撞设施迎撞面整体协同变形，未出现局部刺穿现象；钢面板、聚氨酯芯材和波折钢板是防撞设施主要的耗能构件；船型及撞击高度制约固定式防撞设施的性能发挥，其设防范围应根据上述因素合理优化。波折钢板-钢覆复合材料防撞设施在实际全桥碰撞模拟中表现出的良好防护效果，表明其有望解决现有防撞设施普遍存在的不足，具有广泛的应用前景。
作者：	曹宏斌
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	王文炜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022