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.     

船撞偶然荷载作用下连续梁桥的分析方法探讨

在评估船撞偶然荷载作用下连续梁桥的结构响应时,不同于连续刚构桥的分析,一般取单个桥墩作为分析对象,船舶撞击力作用于桥墩上,并不考虑桥梁上部结构将船撞力传递至相邻墩的贡献.实际上基于桥梁上部结构与下部结构的连接强度以及可能被撞桥墩的相对刚度,可将桥梁上部结构纳入船撞力的传递路径中.该文基于一连续梁桥工程实例,针对船撞荷载工况,分别用单墩模型和桥梁整体模型进行了分析,通过对比研究认为,当连续梁桥有船撞风险时,可以采用桥梁整体分析的方法,考虑桥梁上部结构对船撞力的分配,并且桥梁上部结构和下部结构之间应设置可靠的连接构造.     

桥梁船撞力计算模型研究进展

桥梁船撞问题是工程设计中必须考虑的课题,为研究桥梁在船舶撞击作用下的动力需求,对国内外相关的研究成果进行了分类总结,将船撞力计算方法分为静力计算方法、动力简化计算方法、高精度有限元计算方法3个方面进行阐述.分析认为,静力计算方法无法详细考虑结构的动力效应,且各类静力计算公式数值差异较大;动力简化计算方法可考虑动力效应,计算效率与精度介于上述3种方法之间;高精度有限元计算方法精度较高,但效率较低,需要计算人员具备较高分析能力,且需耗费极大机时.最后,对这3种方法的使用以及今后需继续研究的内容提出了建议.     

基于可靠度的桥梁船撞作用荷载组合分项系数

对船撞偶然组合问题,现行的桥梁设计规范给出了相应的组合分项系数。为了分析现行规范给出的分项系数下桥梁结构可靠度指标水平,寻求荷载组合分项系数与桥梁结构可靠度指标之间的关系,需要对桥梁船撞偶然荷载组合进行深入研究。基于有限元-神经网络-Monte Carlo(FA-M)法和极限状态设计法,计算桥梁结构船撞偶然组合不同荷载分项系数下的可靠度指标。以练江1号桥主桥为依托工程,采用有限元软件建立全桥空间有限元动力模型,以荷载冲击谱模拟船撞桥墩的动力时程,塔克斯特拉准则作为荷载组合理论依据,确定船撞荷载与汽车荷载作用下结构的失效模式。提取船撞荷载与荷载效应样本、汽车荷载与荷载效应样本、船撞和汽车荷载组合与荷载效应样本,对这些样本进行BP神经网络训练,当训练结果满足精度要求时,对船撞荷载分项系数ψCV取1.0,汽车荷载分项系数ψLL分别取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0,并采用Monte Carlo法计算各分项系数下桥梁结构的失效概率和可靠度指标,将不同分项系数下的可靠度指标与目标可靠度指标进行比较。研究结果表明:跨径在150m以内的连续刚构桥荷载组合分项系数ψCV、ψLL,建议其值为1.0、0.8;F-A-M法可以方便、快速地求解桥梁结构船撞偶然组合下的可靠度指标,建立可靠度指标β与船撞荷载分项系数ψCV、汽车荷载分项系数ψLL的影响面关系,并给出荷载分项系数建议值,为船撞偶然组合设计及桥梁船撞的风险评估提供依据。     

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。     

高桩承台桥梁船撞动力需求的时程分析法

船撞桥问题涉及到材料、几何和边界条件的非线性,造成了整船碰撞有限元模型不但计算效率低下,而且较难为工程师所接受。鉴于此,提出采用简化的时程分析法来帮助设计者快速准确地掌握桥梁结构在船撞作用下的动力需求。在构建时程分析法过程中,首先基于两自由度碰撞分析模型,建立了基本的能量守恒方程和动量守恒方程以能量守恒方程和构建的动力撞击力和撞深曲线(Pd-a曲线)为依据,确定了船艏的最大撞深,并对结构弹性变形能的考虑进行了讨论。根据假定的加载时撞深与时间的关系和卸载时撞击力与时间的关系,推导了船撞作用加载和卸载的持时计算公式。总结形成了基于时程分析法计算高桩承台桥梁船撞动力需求的一般性程序,并将其运用工程实例中。工程实例计算结果表明:时程分析法计算所得的结构动力响应与整船碰撞模型结果基本一致,且计算效率较高。     

大桥船撞损伤检测与评估

文章以青阳县新河镇七星河大桥船撞事故为背景,探讨桥梁船撞事故的损伤检测与安全评估技术,介绍青阳县新河镇七星河大桥被船只或漂流物撞击后的全面检测、结构模拟计算及处理方法,对桥梁的工作性能、结构承载能力进行综合评价分析,给出事后桥梁处理建议。     

内河桥梁船撞力计算方法比较分析

文章介绍了国内、外内河桥梁船撞事故,总结了现有的主要桥梁船撞力实用计算方法,并以淮河上某大跨度连续梁桥为背景进行了多种船撞力实用公式的计算,对计算结果加以比较并给出了建议.     

初速度对被撞船舷侧结构影响

采用ANSYS/LS-DYNA建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型,模型中考虑了材料非线性、几何非线性等因素;并以所建立的非线性有限元模型为基础,对被撞船舷侧结构碰撞性能进行了仿真研究,得到了碰撞力和能量随碰撞船位移变化的关系曲线,重点研究了碰撞船初速度的影响.数值仿真结果表明,不同的碰撞船初速度会导致被撞船舷侧结构产生不同形式的变形和不同程度的损伤.同时,通过仿真计算得到了某一确定碰撞情景下被撞船舷侧内、外壳破裂的临界速度,可以为海事部门制定海上限速避碰规则提供依据.     

桥梁复合材料防车撞吸能结构碰撞性能分析

针对在桥墩周围安装吸能结构可以降低车辆撞击对桥梁的情况,基于全尺寸复合材料吸能结构的台车撞击试验,通过对比试验和数值模拟结果验证有限元模型的有效性.在此基础上,考虑实际中更高撞击能量的情况,采用有限元方法分析不同撞击速度的吸能结构响应,并研究不同结构材料的耐撞性能.钢夹层结构能够吸收大部分动能并有效减小局部损伤,而复合材料蜂窝结构可以起到很好的支撑作用,同时把撞击力比较均匀地分散到整体结构,使更多结构参与吸能.计算结果表明钢夹层-蜂窝复合材料防车撞吸能结构具有良好的耐撞性能.     

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。     

珠海淇澳大桥船撞能力评估及防撞设计

淇澳大桥主桥为双塔独柱式单索面预应力混凝土斜拉桥,为判断桥墩结构是否满足防撞要求,采用MIDAS计算了桥墩抵抗船舶撞击力值,运用有限元建立了桥墩模型计算5000 t船舶撞击大桥2#主塔桥墩,及500 t船舶撞击引桥1#、0#桥墩的撞击力,撞击力计算与经验公式结果进行对比.结果表明,有限元法与美国ASSHTO规范计算较为接近,桥梁抗撞能力满足防船撞要求.考虑船桥双重保护的理念,船桥撞击时最大程度上保护船舶和降低桥梁损伤,主塔桥墩设计采用自浮式钢浮箱防撞装置,两引桥桥墩防撞采用橡胶护舷进行防护.     

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。     

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．     

桥墩塑性防撞装置的力学机理

通过一艘4万t级油船撞击箱式塑性吸能防撞装置的有限元数值模拟计算，演示并分析了防撞装置的作用过程．指出了防撞装置受力的3个阶段、防撞力的限制值和防撞装置各构件的吸能特征，解释了防撞装置对桥梁的防护机理．同时介绍了非线性有限元碰撞分析中船舶、防撞装置与桥墩的模型化方法和材料、质量参数等的正确意义，并对防撞装置的优化设计提出了建议。     

基于能量恢复系数的多刚体系统的摩擦碰撞

研究了多刚体系统的摩擦碰撞问题。一般的法向弹塑性力与位移的关系被直接引入到多刚体系统的计算中,同时考虑了碰撞中滑动模式的变化。在现存的文献中,常通过求解微分方程来解决该问题,但因碰撞时间同碰撞力不在同一个量级上,这就导致计算步长的选择十分困难,而且Amontons-Coulomb摩擦定律的不光滑性导致了在搜索粘滞状态与滑动状态的非光滑点的困难。代替通常的解微分方程的方法,以能量恢复系数作为桥梁,通过代数的方法得到碰撞前后系统状态。其主要优点在于既避免了能量的不协调性,又比微分方法简单。     

船舶与海洋平台碰撞的动力响应分析

建立了船舶与海洋平台碰撞的弹塑性动力分析方法．首先研究了平台圆管构件的局部凹陷特性，推导了一个带凹陷损伤的圆管截面的屈服条件，以考虑局部凹陷损伤造成的构件承载能力的减弱．采用塑性节点法结合大位移分析理论，综合考虑构件的局部凹陷变形、构件整体变形以及平台结构的总体变形，对船与平台组成的碰撞系统的非线性动力响应作了详细的数值模拟，得到了碰撞过程中平台结构变形、损伤和碰撞力等响应信息．最后，给出了一个典型的供应船与导管架平台碰撞的计算例子．     

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．