两类船-桥碰撞力差异及桥梁结构响应分析

 船桥碰撞是跨航道桥梁需考虑的重要问题。本文以美国AAHSTO规范推荐两类船舶为例,研究了驳船和散装货轮撞击桥梁后碰撞力、船艏刚度和碰撞能量的变化过程,讨论了导致两类船舶碰撞力、船艏刚度和碰撞能量变化差异的原因,分析了两类船桥碰撞桥梁结构的主要响应,并将本文动力模型计算响应与已有规范计算得到响应进行了对比。结果表明,两类船舶不同的船艏外形及内部构造会对碰撞力造成较大影响;同等吨位和碰撞速度下,驳船碰撞峰值荷载比散装货轮大,驳船碰撞的墩顶位移比散装货轮小,基底剪力和弯矩比散装货轮大,驳船与散装货轮作用下桥梁结构响应的动力反应系数存在较大差异;不同规范对于碰撞荷载规定差异较大,欧洲规范计算得到响应总体较大,中国公路规范荷载对于内河船舶撞击计算得到的响应最小,中国铁路规范计算得到的响应与其他规范海轮撞击响应进行对比最小。     

基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真

桥梁在船舶碰撞时受到的动力载荷和响应是复杂的动力非线性问题。近代非线性有限元技术为该问题的求解提供了有效的工具。简述了该技术的基本原理,并基于整船整桥模型对一艘4万吨实船与桥梁的碰撞过程进行了计算。仿真结果显示了船艏结构损坏、碰撞力演变、能量传递和桥墩内部应力变化的详细情景,讨论了船-桥碰撞的力学特征。演示的方法比传统的经验公式和简化解析法提供更为精确的结果。所提供的桥墩应力状态对桥梁的设计与碰撞后的损伤评估有重要参数价值。     

散货船与桥墩碰撞力的经验公式与数值模拟对比研究

本文介绍了目前几种常见的船桥碰撞力估算公式,并采用这些公式分别计算了四艘三峡标准散货船在各种航速下撞击桥墩的碰撞力。根据三峡标准散货船的设计图纸建立船体有限元模型,通过数值模拟计算了不同吨级、船速下的船桥碰撞力曲线。在桥梁设计时,该曲线可以为该类船舶-桥墩碰撞力计算及评估提供参考。结合经验公式的推导过程,通过船桥碰撞力经验公式与有限元数值仿真分析计算结果表明,铁路桥涵设计规范的船桥碰撞力公式更适合于斜艏500至3000吨级散货船,而美国公路桥梁设计规范的船桥撞击力计算公式对该类型吨级船舶的碰撞力结果偏大。     

船撞设计冲击谱研究

针对桥梁船撞设计规范中所用等效静力法忽略船桥碰撞动力本质及有限元数值模拟方法要求高、计算量大等缺点,借鉴地震反应谱概念提出船撞设计冲击谱方法。用有限元模拟不同吨位船舶在不同速度下撞击刚性墙,获得81条撞击力时程。计算不同周期、不同阻尼比单自由度体系在撞击力时程作用下位移放大系数。通过寻找位移放大系数统计规律,给出用于桥梁船撞工程设计冲击谱及具体使用步骤。     

考虑流体效应的船-桥碰撞数值模拟法研究

有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、应力、截面内力以及计算效率等方面的结果进行了比较分析。结果表明:流体对船艏碰撞力影响较小,但能降低船舶的损毁程度;流构耦合计算模型中的墩顶水平位移响应要略小于附加质量模型和不考虑流体影响时的计算结果;不同计算模型所得桥墩有效应力基本相同且具有相同的分布规律;船-桥碰撞附加质量模型在计及流体与结构相互作用的同时,具有较高的精度和计算效率。     

基于非线性有限元法的船舶-冰层碰撞结构响应研究

采用非线性有限元法建立船舶与冰层的三维有限元模型,对船-冰碰撞进行了数值模拟。研究了船舶在不同速度下与不同厚度冰层碰撞的动态结构响应,分析了碰撞冰力的大小、船艏结构的变形损伤和能量变化等特性。得到了船舶初速度、冰层厚度等因素对船-冰碰撞载荷的影响,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

基于非线性有限元法的冰区玻璃钢实验船碰撞性能研究

采用有限元软件ANSYS建立了冰区玻璃钢船舶与冰排的模型,设置碰撞参数与材料属性,利用LS-DYNA进行船-冰碰撞的非线性有限元计算,并分析碰撞结果。主要研究两个碰撞因素的影响:首先是玻璃钢的铺层角度,即[-45/45/-45/45/-45]和[90/0/90/0/90]这两种典型铺层方向下的玻璃钢船与浮冰碰撞的动态响应过程,得到船艏碰撞点应力曲线图以及船舶和冰排能量变化曲线,对比不同碰撞结果;其次是碰撞速度,在不同速度下玻璃钢船与冰的碰撞,得到玻璃钢船外板碰撞处的应力曲线和冰排应力分布云图,并进行了力学分析。     

考虑纵坡影响的曲线梁桥地震碰撞响应试验研究

地震作用下,碰撞会显著影响桥梁的地震响应规律。现阶段碰撞效应对桥梁地震响应影响规律尚不明晰,碰撞效应参数影响分析尚不全面,特别是考虑纵坡影响的桥梁碰撞响应分析尚处空白。以某小半径带坡曲线桥为对象,设计并制作其1/10缩尺模型,设计了可调式碰撞测试装置,通过调整碰撞间隙大小,分别对发生碰撞前后的模型桥进行了振动台试验,重点探究了碰撞对有纵坡曲线梁桥主梁、桥墩地震响应的影响。结果表明:碰撞会导致曲线桥主梁的旋转效应增大,并引发梁端较大的水平加速度响应脉冲;纵坡会造成低墩处的碰撞力大于高墩处的碰撞力,并引起主梁显著的竖向动力响应;此外,碰撞会放大桥墩墩顶位移响应,增加曲线桥桥墩在地震中的破坏风险。     

钢筋混凝土梁桥船舶撞击连续倒塌数值模拟

详细介绍了钢筋混凝土桥梁船撞倒塌模拟涉及的材料模型和单元失效指标等问题,建立某连续梁上部、下部结构、支座和船舶结构精细有限元模型,将弹塑性损伤帽盖模型用于混凝土,弹塑性随动强化模型用于钢筋,对船舶撞击钢筋混凝土连续梁引起的结构连续倒塌过程进行了数值模拟,揭示了连续梁桥结构的船撞倒塌机理。     

轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型

建立了3000DWT-50000DWT范围内的四艘代表轮船的碰撞有限元模型,采用LS-DYNA软件计算了船舶在1.0m/s-5.0m/s冲击速度范围内的与刚性墙面的碰撞力时间过程样本。根据对碰撞力时间过程样本曲线的观察和面向工程设计的需要,提出了三种轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型,即半波正玄荷载模型、修正的半波正玄荷载模型和分段荷载模型。碰撞时间过程的样本计算表明,碰撞力过程总的持续时间以及碰撞过程的冲量与冲击速度具有很好的简单关系,离散性很小。根据冲量相等的基本原则,提出了冲击荷载模型参数的确定方法,通过对四艘代表船舶计算结果的回归分析,得到了模型参数的统计回归关系。以轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型可建立桥梁船撞动力设计方法,以替代目前的桥梁船撞等效静力设计方法。