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原文传递新型桥墩防船撞装置的性能研究

论文题名：	新型桥墩防船撞装置的性能研究
关键词：	数值模拟;有限元法;力学性能;桥梁工程;船舶系统;防撞装置
摘要：	随着交通运输事业的迅猛发展，愈来愈多的跨江、跨河、跨海大跨桥梁已投入使用或正在修建之中。许多桥梁位于重要的航道上，因而被航行的船舶撞击的事故时常有发生，这对桥梁的安全运营和使用寿命将产生不利影响，甚至留下灾难性的事故隐患。因此在桥墩上设置防撞装置以降低船舶撞击力对桥梁结构的直接损害是一种行之有效的方法。　　船舶与桥墩防撞装置系统碰撞是整个结构在很短的时间内、在巨大撞击荷载作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，不仅涉及到船舶自身的运动及变形，还包括了桥墩及防撞装置的位移及变形。撞击过程中存在着大量的非线性现象，例如几何非线性、材料非线性、接触非线性等。在碰撞过程中，船舶、防撞装置、桥墩的弹塑性变形、失效和船体刚体运动同时发生，相互影响。就船—桥碰撞问题的复杂性而言，难以通过建立一个精确的数学模型来得到解析解。因此利用动态有限元软件数值模拟与模型试验相结合来研究船桥碰撞的动态力学响应就成为一条可行的途径。不仅能为预估防撞装置的消能效果，而且还能为防撞装置的设计和改进提供理论依据。　　本文在总结已有的船桥碰撞研究成果、探讨船桥碰撞机理的基础上，结合重庆市黄花园嘉陵江大桥桥墩防撞设计工程，提出一种新型的桥墩防船撞装置—FRP防撞浮箱。采用显式瞬态非线性有限元技术，用ANSYS/LS-DYNA软件对一艘载重量为2000t级的散货船以3m/s的速度与带有FRP防撞浮箱的桥墩正撞和斜撞的动态响应过程进行了数值模拟分析，研究防撞浮箱的防撞性能。本文主要研究工作如下: 　　①总结和归纳国内外船桥碰撞力学机理的发展历程和研究概况;概述国内外桥梁防船撞的研究方法;分析船—船碰撞和船—桥碰撞试验的研究进度，进而为本文的研究工作奠定理论基础。　　②讨论船桥碰撞数值模拟中所涉及到的基本理论和关键技术;介绍有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA和后处理软件LS-PREPOST;分别对接触-碰撞、沙漏控制及LS-DYNA缩短计算时间的方法等作了专题研究。　　③结合重庆市黄花园嘉陵江大桥桥墩防撞设计工程，介绍了一种新型的桥墩防船撞装置—FRP防撞浮箱;采用显式瞬态非线性有限元分析技术对一艘载重量为2000t级的散货船以3m/s的速度与带有FRP防撞浮箱的桥墩正撞和斜撞的动态响应过程进行了数值模拟分析，碰撞的整个时间历程得以全面的模拟实现;分析了碰撞系统的撞击能量、撞击力、船舶撞深及速度、FRP防撞浮箱受撞区的位移、船舶与FRP防撞浮箱的结构损伤及变形等情况。数值模拟结果显示FRP防撞浮箱最大吸收了船舶52％的撞击动能，起到了一定的防撞消能保护桥墩的作用。　　④对船舶与带有FRP防撞浮箱的桥墩碰撞的动态响应过程进行了大量的数值模拟分析，研究了船舶撞击速度、船舶质量、船舶撞击角度等三个主要因素与桥梁船撞力的关系，得出船撞力的峰值和船舶撞击速度之间呈现线性关系，与船舶质量的平方根呈现线性关系，而船舶撞击力的峰值与船舶撞击角度之间没有呈现一定的规律，因此还需要更深一步的研究。　　⑤论述防撞装置物理模型试验设计的基本原理;依据结构动力模型试验的相似条件对重庆黄花园嘉陵江大桥桥墩FRP防撞浮箱的整体结构缩尺模型冲击试验方案和结构节段足尺模型冲击试验方案进行了研究;结构节段足尺模型冲击试验结果不仅为重庆黄花园嘉陵江大桥桥墩采用FRP防撞浮箱达到“消能和降低桥墩船撞力50％”的设计预期效果提供了有说服力的试验依据，而且还验证了本论文第三章所采取的数值模拟分析方法的合理性和数值模拟分析结果的正确性。
作者：	王红梅
专业：	结构工程
导师：	王智祥;向阳开
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文