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.     

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.     

考虑材料非线性的船舶与单墩碰撞有限元数值模拟

为了可靠地评估船舶与单墩碰撞的撞击力及墩柱响应,利用ANSYS/LS-DYNA建立了一个详细的船墩碰撞数值模型。船艏采用壳单元模拟外部钢板,梁单元模拟内部桁架,并采用弹塑性材料对船艏钢材进行模拟;对墩柱进行配筋,并采用非线性材料来模拟墩柱混凝土以便真实地反映材料特性,墩顶施加集中质量来模拟上部承重。以内河船舶为例,研究了墩身材料、船舶载重和碰撞速度对船舶撞击力及单墩响应的影响。研究结果表明:假定单墩为刚性或弹性材料得到的撞击力峰值和有效撞击时间均偏大,且碰撞速度越大,其差距越大,混凝土材料的非线性对船墩碰撞模拟结果有较大的影响;增大船舶质量和碰撞速度均使撞击力峰值和碰撞持续时间增加,而船舶撞击速度对撞击力峰值有显著的影响,碰撞持续时间主要取决于船舶载重。     

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．     

隔离墩与自浮结构相组合的桥梁防船撞系统方案与评估

随着跨江跨海桥梁与船舶通航数量日益曾多,船桥碰撞的概率也日益增大,所以亟须提出桥梁防船撞设计方案。针对既有椒江大桥水中通航孔桥墩,首先通过规范和Midas/Civil软件计算出桥墩结构的自身抗撞能力;基于非线性动力软件ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型计算得出典型桥墩遭受3 000 t级船舶正向和侧向撞击工况下的撞击力;通过比较桥墩自身抗力与船舶撞击力,提出了一种隔离式防撞墩与自浮式消能圈相组合的新型桥梁防船撞方案,然后对单独设置隔离式防撞墩和设置隔离墩与自浮结构组合防撞系统两种工况进行计算。结果表明:桥墩自身抗力为14.40 MN,而受船舶撞击所产生的最大撞击力为24.38 MN;设置组合防撞系统后,桥墩墩身所受的撞击力为0,隔离式防撞墩与自浮式消能圈有效保护了桥墩结构,且减小了船舶损伤。     

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.     

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。     

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.     

船舶外飘砰击有效砰击角概率分布

基于海浪波面斜率的随机性,研究了船舶外飘砰击有效砰击角的概率分布问题.将垂直法平面内船体表面斜升角在初始纵剖线角处泰勒展开,根据船舶运动的随机特性推导了船体表面斜升角的概率密度函数;在随机海浪波面斜率、波面倾角的统计规律和波浪破碎判据条件的基础上,推导了有效砰击角随机变量的概率密度函数,为进一步研究船舶外飘砰击载荷的概率预报方法奠定了基础.     

波浪对船舶碰撞影响研究

船舶碰撞多发生在一些比较恶劣的海况下,事实上碰撞过程是碰撞作用和外部环境荷载作用的耦合.基于非线性有限元方法,建立了考虑波浪作用的船舶碰撞模型,对碰撞过程进行了数值仿真模拟.将有无波浪存在下的碰撞结果进行了对比,并分析了波浪波高以及波浪入射角度对被撞船舷侧结构的影响.结果表明,在一定情况下波浪对碰撞过程有不利的影响,并从工程角度给出一些指导建议.     

拱形自浮式水上升降防撞装置防撞带结构形式比选

为了更好的保护重庆万州长江公路大桥,重庆交通大学发明了拱形自浮式水上升降防撞装置。这种新型的桥梁防撞装置主要是由导向井、防撞带和浮筒3大部分组成。针对两种不同结构形式的防撞带,采用有限元软件ABAQUS对其结构受力特性、船舶撞击后的防撞效果进行分析,同时在施工工艺和维护难度等方面进行比较,对比发现全钢结构比钢管混凝土结构具有十分明显的优势。因此选择全钢结构作为拱形自浮式水上升降防撞装置防撞带的结构形式更为科学合理。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗冲击荷载数值模拟研究

为研究冲击作用下锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能与破坏模态,本文通过Fujikake等进行的混凝土梁冲击试验,校核了有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立的钢筋混凝土梁结构精细化有限元模型的冲击力时程曲线、跨中位移时程曲线和破坏模态的准确性。在已验证有限元模型的基础上,研究钢筋锈蚀率对混凝土梁抗冲击性能的影响。有限元分析表明：混凝土构件在冲击作用下导致的混凝土剥落程度随钢筋锈蚀率的增加而增加。各冲击高度下的锈蚀钢筋混凝土梁均表现出弯曲破坏特征。钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的抗冲击性能具有一定的影响,在相同落锤冲击高度下,冲击力峰值随钢筋锈蚀率的增大逐渐减小,跨中位移随钢筋锈蚀率的增大而增大。当冲击高度为3.0m时,锈蚀率为30.0%时的冲击力峰值降低到未锈蚀时的17.9%,跨中位移为增加到未锈蚀时的33.3%。