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内河墩式桥船撞力图谱研究

胡瀚誉  
【摘要】:随着国家内河航运的蓬勃发展,内河船舶操作失控撞击涉水桥墩已经成为影响内河通航安全的重要风险之一。为了解决这一难题,无论是桥梁结构抗撞击能力设计、防撞装置生产设计还是船舶建造安全考虑,都必须对船撞力有一个数值估算。参考国内外研究现状,始终缺少一些系统性的成果来对船桥碰撞风险研究进行指导。为了填补这一部分的空白,也为了在今后进行船撞桥风险研究时,节省更多的人力物力以及时间,并为评估船舶撞击力提供便捷的方法指导。本文首先利用松浦三桥防撞设施消能效果试验对数值模拟方法进行了验证,并验算合格了桥墩模型刚度,随后建立1000t平艏型、3000t尖艏型、5000t和8000t球鼻艏型船舶全尺度模型与直立式圆弧形桥墩模型、不规则变截面弧形桥墩模型进行总计140种工况碰撞模拟,期间对可能影响船撞力的桥墩模型、船舶吨位、船撞速度、船撞角度等因素进行动态响应分析,最后利用大样本数值模拟计算数据与经验公式计算值为参考,绘制了内河墩式桥船撞力图谱。本研究的基本结论与相应成果如下:(1)利用松浦三桥防撞设施消能效果试验结果与ABAQUS数值模拟碰撞结果综合分析,验证了有限元软件在碰撞模拟的过程中,接触、边界条件设置、材料本构模型建立的合理性,可利用有限元方法研究碰撞问题。(2)利用国内外船撞力计算公式,对本次研究的样本区间各类工况条件下的船撞力进行了计算,与数值模拟结果结合进行了图谱船撞力趋势分析。(3)利用ABAQUS建立了1000t平艏型,3000t尖艏型、5000t和8000t球鼻艏型船舶全尺度模型,在船舶外甲板钢结构的基础上,将其内部肋板、筋板以及支撑结构按照实际尺寸构建。建立了标准直立式圆弧形墩与不规则弧形桥墩两类桥墩进行构建,并对试验桥墩进行了模型刚度匹配验证。(4)通过有限元数值模拟结果动态响应研究:利用直立式圆弧形桥墩来研究碰撞力,计算结果更稳定;船舶吨位和船撞速度是影响船撞力的最重要因素,两者与船撞力计算值正相关,有很明显线性增长关系;正向撞击(90°)的撞击力始终最高,其次为撞击角度60°时,45°和30°碰撞时撞击力最低;正撞能量耗散和内能增加的速度要更快一些,有船撞角度条件下的船艏撞深要大于正撞时产生的撞深,60°撞击下船艏破坏最为严重。(5)绘制了内河墩式桥船撞力图谱,其中的船撞力值选取考虑到工程实际运用中估算的安全性,用船舶正向撞击力值为图谱重要因子,另外图谱涵盖了:1000t-8000t船舶、2-8m/s船撞速度和撞深除以时间系数,利用已知船舶吨位和船撞速度可以查询出船舶的船撞力和撞击深度估算值。该图谱对船撞桥问题研究有创新性价值。


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