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原文传递柔性靠船墩锥形橡胶防护垫在斜向靠泊作用下的受力分析

论文题名：	柔性靠船墩锥形橡胶防护垫在斜向靠泊作用下的受力分析
关键词：	斜向靠泊;橡胶防护垫;靠泊能量;柔性靠船墩;有限元方法
摘要：	人们使用船舶作为运输人员和货物的方式已经有数千年。虽然近年来空中旅行快速发展发展,但船舶运输仍然是货运最主要的方式也是全球贸易的基础。船舶尺寸不断增大,船舶、船货和人员的安全性对新装备和规则提出了更高的要求。除水运过程外,最关键的阶段之一就是船舶的靠泊。船舶的靠泊是使船舶相对于港口码头的靠泊结构缓慢停止。由于许多因素影响船舶的停泊轨迹和速度,以几乎零速度使船舶与靠泊结构接触几乎不可能,即意味着船舶将撞击靠泊结构并将船舶的动能传递给靠泊结构。这样的撞击随时间将多次发生,可能损害靠泊结构和船舶。目前已有不少方法通过吸收部分撞击动能来保护船舶和靠泊结构。然而,采用适合于船舶和停泊条件的靠泊结构动能吸收装置是至关重要的,否则靠泊结构和船舶仍可能遭受重大损害,从而导致重大经济成本。　　船舶靠泊过程中动能吸收装置——防护垫的受力是十分复杂的,但现有关于防护垫的相关研究中大多只考虑船舶平行靠泊的简化情况,分析设计方法很少考虑靠泊角度对靠泊过程的影响。本文将通过对船舶靠泊过程中防护垫的受力分析优化靠泊结构设计,重点分析适用于大型船舶和柔性单桩靠船墩的锥形橡胶防护垫。　　本研究的第一部分研究靠泊过程。为了对船舶靠泊过程进行深入分析,必须区分不同船舶影响其靠泊过程和靠泊结构设计选择的不同特征。学者和业界已通过多年研究建立了基本的船舶类型识别和分类方法体系。本文对这些分类方法、不同靠泊模式和常见靠泊结构进行分析。调研比较表明,大型船舶靠泊结构通常以大型防护垫元件甚至柔性靠船墩为主,以便增大靠泊结构的能量吸收能力;同时确定了船舶尺寸和位移之间的关系以减少靠泊结构设计中的计算量。　　在本文的第二部分中,分析了当前可用的防护垫解决方案,包括性能比较方法。对比分析发现最有效和最易理解的方法是采用额定性能数据,包括最大能量吸收和反作用力、完整额定负载挠度曲线。大多数适合于大型船舶的靠泊结构设计采用橡胶防护垫,并且根据性能曲线类型主要有两类防护垫。尽管有不同的橡胶级别,相同设计的防护垫具有相同性能,且主要与其形状有关。钢管桩单桩靠船墩由于其实用性和低成本也被研究和采用。对用于防护垫和单桩分析的各种数值模型及其优缺点进行比较分析,可以发现其中仅有少数充分考虑了不同荷载类型下防护垫的响应特征,而大多数防护垫模型完全基于实验数据,且不能在无原型测试条件下预测新防护垫的设计响应。分析表明,只有有限元模型可满足本研究的特定要求,并可确定对防护垫选择和靠泊结构设计影响最大的参数。　　本研究的第三部分将重点放在靠泊结构设计模型和标准上。现有各种方法和标准具有一定的一致性,几乎所有方法和标准都属于单一设计法,采用了相同得步骤进行靠泊分析。此类方法的程序包括:根据船舶类型和靠泊模式确定船舶靠泊过程的能量,然后选择一种具有充分吸收船舶靠泊能量能力的结构和防护垫系统,其中最关键的是满足该特定情况的安全性要求。采用第二部分中实际靠泊过程和防护垫响应行为的数值分析模型,详细分析验证该方法及其假定,并讨论其优缺点。该方法的主要问题是靠泊角度对防护垫的作用只在计算防护垫可以吸收的最大能量中被考虑,但是如果靠泊结构被很好地设计,那么防护垫应当很少会达到其最大能力。此外,现有方法仅考虑平行靠泊,而船舶斜向靠泊(以大于零的角度进行靠泊)的第一撞击所涉及的能量可能比用该方法所得到的防护垫承载力大得多。　　本研究的最后一部分采用商业有限元软件Ls-Dyna对锥形橡胶防护垫和完整钢单桩靠船墩进行有限元建模呵分析。锥形橡胶防护垫已经被使用超过25年并且在许多尺寸和能力中是可用的,也因其易于组合形成更大的防护垫系统而成为最灵活的防护垫解决方案。利用三种不同橡胶级别的制造商数据,对锥形防护垫进行建模分析和测试验证。通过网格和单元公式化的详尽参数分析,确定防护垫的最准确和最有效的数值模型。结果示出,如果挠度不超过一定点,增大防护垫压缩角度导致对于相同能量吸收的较小反作用力。考虑到船舶在靠泊期间将发生旋转,意味着船舶以更大角度靠泊可能通常是更安全的。因此,对船舶相对于刚性靠泊结构的斜向靠泊进行分析,结果表明,由防护垫所吸收的能量可能比可以用当前靠泊结构设计方法所计算的高得多。由此提出了一种用以确定所要求的防护垫能力的不同方法,并建议了一种新的斜向靠泊撞击期间防护垫所必须吸收能量的表达形式。在具有被控制的大靠泊角度的一些情况下,靠泊安全性可以被提高。砂土中钢单桩的情况也通过有限元建模进行分析,结果与现场数据一致,对着装备有防护垫的单桩、在其顶部的斜向靠泊可能在连续船舶靠泊之后导致桩周围的土体扩孔。结果表明,桩挠度和防护垫挠度的突变可能取决于其负载挠度曲线,其可能非常大地增加桩周扩孔的风险。
作者：	安江
专业：	岩土工程
导师：	王建华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文