船艏横向框架对船艏碰撞性能的影响

在船舶碰撞中，撞击船艏部结构和被撞船船侧结构都会发生损伤变形．为了了解横向框架对船艏结构的损伤形态、碰撞力及能量耗散的影响，利用非线性有限元仿真程序MSC／DYTRAN对有横向框架和无横向框架的某艏部结构的碰撞特性进行了比较．结果发现，横向加强材会限制船艏外壳及甲板的变形模式，以至于显著地影响到整个船艏结构的破坏特征、碰撞力和能量吸收．在进行碰撞分析时不可忽略．     

船舶撞击双柱式桥墩破坏模式分析

为了研究双柱式桥墩在船舶碰撞作用下的损伤破坏机理,对冲击作用下钢筋混凝土结构的材料本构、黏结模拟方法进行了分析。采用可以考虑开裂的混凝土连续光滑本构模型模拟墩柱混凝土材料,采用考虑应变速率的随动塑性强化模型模拟墩柱纵筋及箍筋;基于显式动力有限元软件LS-DYNA,在考虑双柱式桥墩纵筋配筋率变化及是否存在桩土相互作用的情况下,对驳船撞击双柱式桥墩进行动力仿真分析。研究结果表明:在船舶撞击作用下,混凝土双柱式桥墩的破坏过程可分为4个阶段:初始接触碰撞阶段、撞击墩破坏阶段、非撞击墩破坏阶段、系梁与墩柱连接破坏阶段;结构在碰撞接触区域发生了局部剥落损伤,同时在碰撞侧桥墩、非碰撞侧桥墩以及系梁连接处均发生开裂破坏,船艏经历了2次加载-卸载历程,船舶动能的76%转化为船艏及结构的内能;双柱式桥墩纵筋配筋率对结构的破坏模式影响明显,随着配筋率提高,桥墩墩柱逐渐由弯曲破坏转变为只出现少量横向裂缝;在配筋率为2%时,墩柱基本不发生弯曲破坏,而碰撞侧墩柱与系梁连接处属于双柱式桥墩薄弱构造环节,在不同配筋率情况下均发生破坏;桩土相互作用对桥墩的破坏模式影响显著,在计算分析时应予以考虑,在墩底固结情况下,桥墩主要发生剪切破坏。     

船-桥碰撞力理论分析及复合材料防撞系统

考虑桥墩刚度与船艏刚度,采用质点弹簧模型,建立了船-桥碰撞动力方程,分析了桥墩与船艏的相对刚度、碰撞接触时间对峰值撞击力的影响规律,修正了我国《公路桥涵设计通用规范》中漂浮物撞击力公式.研制了新型纤维增强复合材料防撞系统,开展了冲击性能试验,实现了相关桥梁防船撞工程应用.结果表明:当桥船相对刚度之比小于50时,峰值撞击力随桥-船相对刚度的增大呈对数形式增大;当桥船相对刚度之比大于等于50时,峰值撞击力可近似按欧洲统一规范取值.碰撞接触时间与船舶质量、船艏刚度相关.复合材料防撞系统能有效延长船-桥碰撞接触时间,大幅削减撞击力,从而有效保护桥墩结构安全,减轻船舶受损程度,具有显著的技术经济优势.     

考虑墩顶约束作用的桥墩船撞力学模型及其响应

在考虑上部主梁对桥墩墩顶约束及基础约束作用的基础上,建立了边界条件合理的船舶与桥墩撞击理论力学模型,采用Laplace正变换和Crump逆变换,对该动力控制微分方程进行理论求解并分析撞击力与位移响应。将理论计算结果与欧洲规范以及未考虑墩顶约束的悬臂墩模型计算值进行了比较,结果表明考虑被撞桥墩墩顶受上部结构的约束作用对撞击响应的影响较为显著。分析上部主梁结构等效约束刚度与被撞桥墩船撞力及墩顶位移的关系并与欧洲规范和铁路规范进行了比较。建立了峰值撞击力简化计算公式,该公式在欧洲规范的基础上增加考虑了桥墩侧向刚度、船舶质量及船艏刚度等因素,与其他规范公式在改变不同参数的情况下进行了比较,验证了其具有较好的适用性。     

船桥碰撞中桩土相互作用模拟方式的影响分析

为研究船桥碰撞模拟中的桩土相互作用问题,本文建立了单桩-土-船舶高精度碰撞有限元模型,采用桩底固结、土弹簧以及无反射边界模拟桩土相互作用,并计算了船舶撞击力以及船撞作用下桩基的位移响应。计算结果表明,当桩基固结深度大于5倍桩径时,船舶撞击力趋势与其他模拟方式计算结果区别较大,在撞击过程中撞击力出现卸载现象,说明船舶与桩基之间出现了一次逐渐脱离的状态。无反射边界条件模拟得出的撞击力与结构位移响应均最小,土弹簧计算结果居于固结模拟与无反射边界模拟计算结果之间。通过分析,结构动力响应不仅与最大船撞力、平均船撞力相关,且与船撞力时程持续时间有关,当无详细地质资料时,可采用3倍桩径固结深度对桩底固结,所得动力响应偏安全,可满足工程应用需要。     

船-桥碰撞有限元数值模拟分析

文章以船-桥墩碰撞为主要研究对象,重点探讨碰撞过程中撞击力、撞深的变化以及速度对撞击结果的影响,利用LS-DYNA进行数值模拟,仿真分析船舶在不同初始速度情况下的撞击结果,并与各国规范进行比较,同时分析船舶刚度对撞击结果的影响,为桥墩防护设计提供参考依据.     

船舶撞击墩柱的力学行为仿真分析

文章依据有限元仿真方法对船舶与某大桥的墩柱碰撞的力学行为进行研究,计算5种不同吨位的驳船以5种不同速度与墩柱碰撞的案例,在数值计算结果基础上,得到冲击力、桥墩内部能量、桥墩顶部侧向位移和船艏压溃深度与时间、碰撞速度和驳船吨位等因素之间的关系。     

舶舶撞击荷载作用下桥梁桩基复合体系动力损伤特性分析

基于混凝土塑性动力损伤理论,利用ABAQUS三维非线性动力有限元法,对船舶撞击荷载作用下,桥梁桩基复合承载体系动力响应及损伤特性进行分析研究。研究表明:船桥撞击力随撞击速度增大呈线性增长,撞击角度对撞击力显著影响,撞击角度越大,撞击力峰值显著降低。桩身位移与弯矩值均随船舶撞击速度的增大而增大,桩身最大位移和最大弯矩值并非发生在撞击点处,而是在撞击点以下某一位置,具体位置取决于桩顶与桥面结构之间的约束程度。船桥碰撞荷载作用下桥梁桩基复合体系的动力损伤以拉伸损伤为主,压缩损伤区域相对较少。桥梁结构设计时应重点加强桩基与桥面结构的联结刚度,适当提高桩基配筋率,以提高桥梁桩基复合体系抗撞击能力。     

桥梁固定式防撞钢套箱能力曲线的解析计算方法

基于船-船碰撞解析研究,分析了钢套箱竖向外板、横肋、竖桁等构件的变形机理与破坏模式,讨论了钢套箱在不同撞击位置下的撞击力差异. 结果表明：由于钢套箱与船舶舷侧结构的尺寸差异,其横竖桁排布密、间距小,使得撞击点处相邻构件能够很快参与受力,不同撞击位置下的撞击力差异并不显著. 结合不同外形船艏撞击下的钢套箱受力情形,建立了典型的碰撞场景模型,提出了同时适用于带球艏船舶、楔形艏船舶撞击下的钢套箱抗撞性能的解析计算方法. 采用提出的解析计算方法,计算了固定式钢套箱在不同外形船舶撞击下的撞击力-撞深曲线,通过与精细有限元分析结果对比表明：解析计算方法的结果与精细有限元分析结果较好地吻合,证明了解析方法的有效性.     

船撞力强度指标对船撞桥响应的影响

确定船舶的撞击力是桥梁设计的关键问题之一,本研究针对船撞力强度指标的选择,探讨了不同船撞力强度指标对桥梁结构响应的影响.首先建立了一艘轮船撞击刚性墙的高精度有限元模型,得到了不同撞击吨位与撞击速度下的船撞力时程,并根据不同的船撞力强度指标进行了等效,将等效静力作用于结构的响应值与结构动力响应值进行了对比.结果表明,平均船撞力得出的结构响应最小,局部平均船撞力与峰值船撞力得出的动力响应相差不大;从结构响应随撞击吨位与撞击速度的变化规律方面来看,采用局部平均船撞力作为强度指标更为合理;在采用3种船撞力强度指标时都必须考虑动力效应的影响,否则会得到偏小的结构响应值.     

波浪作用下柔性靠船墩船舶撞击力统计分析

考虑船体、靠船墩弹性变形和护舷非线性变形,给出了波浪作用下外海轻型码头结构所遭受船舶撞击力的计算公式．根据公式中各随机变量的概率分布类型,采用Monte-Carlo方法对波浪作用下柔性靠船墩结构所遭受的船舶撞击力进行了统计分析．给出了设计基准期内撞击力的概率分布函数和不同刚度比下撞击力的均值系数和变异系数．结果表明：在设计基准期50a内波浪作用下柔性靠船墩船舶撞击力服从极值I型分布;船舶撞击力的均值系数为0．511,变异系数为0．429．     

带主梁的简化模型与响应面联合 的桥梁船撞易损性分析方法

以往桥梁船撞动力分析以给定事件确定性分析为主,难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征,以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征.为此,本文面向两类典型船舶,以桥梁墩柱受船舶撞击后的剩余承载能力作为损伤评估指标,较为系统地研究了桥梁船撞易损性.首先,建立了受压RC墩柱受到侧向冲击后剩余承载能力的直接模拟方法,通过与试验结果进行对比,验证了该模拟方法的有效性.然后,基于一座典型连续钢筋混凝土梁桥,建立了两种不同的有限元简化模型,并进行了比较和验证.提出一种有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法,获得了两类典型船舶撞击下的桥梁易损性曲线.结果表明:所建立的响应面具有良好的精度,可替代复杂的非线性有限元计算;两类船舶类型撞击下的桥墩剩余承载力的响应特征区别较大,在球艏船撞击下剩余承载能力随船速的增大而均匀减少,而在受驳船撞击时,剩余承载能力与临界船速密切相关,呈现出双折线的特征,在进行样本设计时需基于临界速度进行分段;在相同船速及质量的情况下,驳船撞击所造成的结构损伤以及失效的概率普遍要高于球艏船撞击,实际设计中应尤为关注.     

三峡库区弯曲河段大偏角船桥碰撞力分析

为研究船舶在大角度和高流速下与大跨度斜拉桥发生的碰撞响应,结合国内外相关规范对船桥碰撞中最大撞击力计算方法和撞击方式,对内河航运过程中可能发生的碰撞角度和方式进行分析,并以重庆外环江津长江大桥作为依托工程,采用附加质量法建立了7 000 t级散货船和等比例斜拉桥模型,计算了船舶在四种通航水位下的正撞、侧撞和漂撞的最大撞击力,比较各规范的计算值与数值模拟结果,对不同情况下的计算结果进行对比研究。结果表明,国内外各规范更适用于船舶撞击桥塔,撞击点位于桥梁承台时最大撞击力将远高于规范计算值;在船舶与桥梁正面碰撞中,《美国公路桥梁设计规范》(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO)计算值与模拟值吻合程度高;在侧撞中,尤其在撞击角度为10°～25°时,建议采用《公路桥梁抗撞设计规范》;船舶漂撞桥塔产生的撞击力大约为正向撞击的1/4,该情况可采用《铁路桥涵设计规范》进行计算。多角度船桥碰撞研究结果可为三峡库区高变幅水位下船桥碰撞安全风险评估和桥梁抗撞设计提供参考。     

船桥碰撞撞击力的有限元数值模拟与分析

文章基于整船整桥有限元模型,分析了万吨级船舶在不同船体吨位、撞击角度和撞击速度时的船桥碰撞过程,得到不同碰撞情况下的撞击力时程曲线,详细讨论了计算结果,并与国内外规范计算值进行分析比较。结果表明:撞击力与船舶吨位的平方根近似成线性关系,与撞击速度近似成线性关系;随着撞击角度增大,撞击力减小,撞击时长增加。对于万吨级船舶与桥碰撞问题,建议采用AASHTO规范或欧洲规范-远洋计算撞击力。     

船舶撞击靠船墩结构的瞬态动力分析

为了解靠船墩结构在船舶撞击作用下的动力响应,以江苏某船闸靠船墩结构为例,采用大型有限元分析软件ABAQUS中的Explicit模块,建立了船舶、靠船墩及地基土的三维有限元模型,对船舶撞击靠船墩过程进行瞬态动力分析,得到了高、低水位两种不同工况下撞击力的时程曲线和靠船墩的应力位移等结果。研究结果表明,在两种水位工况条件下,船舶撞击靠船墩时最大压应力均位于船舶与靠船墩接触面上,在靠船墩底板及墩身背水面均产生拉应力,且底板前齿的拉应力较大;在低水位工况下,靠船墩应力大于高水位工况,靠船墩受力更为不利。     

油轮艏部结构碰撞特性

在船舶碰撞中，船艏是主要作用方．为减少碰撞事故损失，从碰撞的观点出了一种研究船艏碰撞特性的方法及表达船艏碰撞特性的特征量，据以改进船首设计．根据船艏结构本身的碰撞破损过程，对船艏结构碰撞力与破损深度的关系、艏部构件在碰撞过程中的损伤形态和能量耗散进行了研究，指出碰撞力曲线是船艏结构的一种固有特性．提出了碰撞力面积密度曲线的概念，它可用于定量表达船艏结构对其他结构的破坏能力．利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万t船艏的碰撞损坏实例，显示了上述碰撞特征并讨论了提高碰撞数值模拟计算精度的方法．     

船桥碰撞中桥梁的力学机理及损伤分析

船桥碰撞事故时,船舷对桥墩的冲击力以及由此引起桥墩、墩柱和桩基的动态变形,可以通过大型非线性动态响应分析程序MSC-Dytran有限元数值仿真全程再现。以一艘4万t载重量球鼻船艏与某长江大桥桥梁碰撞为例,演示了数值仿真计算的过程,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换以及桩基、承台和塔柱的冲击响应的一般规律和特点,可为桥梁设计、维护和损伤评估等提供理论依据。     

桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果影响研究

随着航道上大跨度桥梁的建设愈加广泛,其桥墩在水面附近往往具有一定的倾斜角度。为研究桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果的影响,文章基于装备自浮式防撞装置的2种倾斜方向的桥墩与6 000DWT级散货船为研究对象进行非线性有限元仿真碰撞计算,分析桥墩倾斜方向对不同航速船舶撞击下桥墩撞击力、系统能量转换、船艏结构破坏的影响。结果表明：外倾式桥墩受到撞击力更小,其防撞装置通过变形吸收能量更多、防护效果更好。研究成果可为大跨度桥墩设计与防撞装置的开发提供重要的参考价值。     

高速铁路连续梁桥地震碰撞效应研究

以新建高速铁路客运专线三跨连续梁为研究对象,建立典型桥跨结构的空间动力分析模型。选取3条地震波,采用非线性动力时程分析方法,详细研究了考虑碰撞效应时连续梁桥的地震响应特性。结果表明:随着间隙单元初始间隙的减小,相邻梁发生碰撞的次数增加,碰撞力峰值也逐渐变大;当峰值加速度较低时,碰撞效应对连续梁固定墩的位移及内力响应的影响较小,但采用较大的峰值加速度时,碰撞效应对连续梁固定墩的位移及内力响应的影响比较显著。     

山区输电塔滚石撞击响应分析及撞击力计算

为了掌握滚石撞击作用下山区输电塔受力特性,以某山区800kV特高压输电线路T型输电塔为对象,采用非线性显式动力学分析软件,建立了输电塔滚石撞击有限元模型,研究了输电塔撞击区域杆件变形、应力及其时程变化,分析了滚石撞击位置、角度、速度以及滚石直径对输电塔撞击响应的影响规律,给出了输电塔滚石撞击力峰值计算公式,并与其它算法对比验证。结果表明：输电塔滚石撞击力呈现三角脉冲形态,持续时间短、冲击力大;输电塔撞击区域塔杆变形和内力较大,撞击时塔杆应力水平瞬时达到峰值,随后迅速振荡衰减,并逐渐稳定;滚石撞击后塔杆发生塑性变形,出现残余应力,但残余剪应力水平小于残余轴向应力;滚石撞击位置处于1/6到1/8塔高时,滚石撞击力峰值和杆件的残余轴向应力相对较大,撞击角度为0°时,输电塔的撞击响应最为剧烈,撞击速度和滚石直径对输电塔撞击响应影响较大;④撞击力峰值拟合公式可用于输电塔滚石撞击力的估算。