基于失效概率的桥梁防船撞装置安全性评估

采用非线性有限元法模拟了船舶撞击桥梁防撞装置的动态过程,计算了防撞装置对桥墩的撞击力并分析其吸能效果。根据桥位、水文资料、通航船舶类型及数量等条件,分析了1 000t级通航船舶撞击桥梁的概率,对桥梁船撞倒塌概率公式进行了修改,计算了桥墩安装防撞装置后的倒塌概率;对目前国内外桥梁船舶撞击风险接受准则进行对比研究,选择了适合某跨江大桥的船撞风险值;采用安装防撞系统后桥梁的失效概率来评价防船撞钢套箱设计的合理性,为桥梁直接构造防船撞装置的设计提供安全评估参考。     

一种自浮式防撞装置的防船撞性能分析

通过数值模拟研究了松浦大桥上采用的自浮式防撞装置的防船撞性能,建立了1 000t轮船及自浮式防撞装置的精细化有限元模型,研究了自浮式防撞装置材料强度、滚滑组件个数、耗能钢筒屈服强度对自浮式防撞装置防船撞性能的影响。结果表明,自浮式防撞装置能延长撞击时间,显著削减撞击力峰值,同时,采用强度相对较低的材料、增加滚滑组件个数有利于进一步降低撞击力峰值,对于耗能筒屈服强度,存在一个最优值使得撞击力峰值最低。     

钢-复合材料组合防撞装置在不同船舶撞击下的性能分析

为了解船-桥碰撞过程中组合防撞装置的防护能力,以东洲湘江大桥为背景,设计一种新型钢-复合材料组合防撞装置(由钢-复合材料迎撞面、复合材料分隔板、内部耗能填充材料和复合材料背撞面组成),采用LS_DYNA软件建立船-防撞装置-桥梁三者有限元模型,分析带球艏船舶、驳船不同水位撞击下有无防撞装置的桥墩结构响应。结果表明:未设防撞装置时,2类船舶撞击下结构响应均较大,相较于带球艏船舶,驳船撞击力峰值较大(10号墩撞击力峰值为17.53 MN);与低水位、平均水位相比,高水位撞击下结构响应较大。设置防撞装置后,带球艏船舶撞击力峰值平均减小30%,驳船撞击力峰值降幅可达54.2%,其他结构响应也明显降低。该防撞装置降低了桥墩结构响应和船舶损伤,具有较好的防撞能力。     

基于刚柔匹配的桥梁柔性防撞装置研究

为避免船舶与桥墩相撞时两者出现较大损伤,基于刚柔匹配、柔性导向原理,提出在桥墩上设置一种由外钢围、防撞圈和内钢围构成的新型柔性防撞装置,对比分析分别设置普通刚性防撞装置与该新型柔性防撞装置的情况下,船舶正撞及斜撞防撞墩时防撞装置与船舶的动力学行为、能量转换关系,并进行实船撞击试验验证新型装置防撞效果。结果表明:新型柔性防撞装置可将船舶撞击的集中力转化为分布力,相比于普通刚性防撞装置,正撞时最大撞击力降低了56%,撞击时间延长了84%,斜撞时最大撞击力降低了37%,撞击时间延长了67%,提高了防撞效率;刚柔匹配的柔性防撞装置可有效拨转船舶航向,降低了撞击过程中的能量交换。实船撞击试验结果表明:新型柔性防撞装置整体安全、可靠,能较好地应用于桥墩防撞中。     

跨海大桥抗撞能力及防护措施研究

为明确通明海特大桥桥墩不同水位下抗力水平,设防船舶撞击力,建立静力与动力模型对桥墩抗撞能力进行分析,提出柔性防撞方案。开展复合材料力学性能试验,确定复合材料在不同荷载下的破坏方式,根据试验结果定义正交各向异性本构,分析防撞装置在球鼻艏、前倾型艏船撞击下的防护性能。结果表明:过渡墩与第一跨引桥墩在高水位下抗撞能力不足;设置防撞装置后最高可削减船撞力51%,耗能比最高可达84%。     

跨海大桥抗撞能力及防护措施研究

为明确通明海特大桥桥墩不同水位下抗力水平,设防船舶撞击力,建立静力与动力模型对桥墩抗撞能力进行分析,提出柔性防撞方案。开展复合材料力学性能试验,确定复合材料在不同荷载下的破坏方式,根据试验结果定义正交各向异性本构,分析防撞装置在球鼻艏、前倾型艏船撞击下的防护性能。结果表明:过渡墩与第一跨引桥墩在高水位下抗撞能力不足;设置防撞装置后最高可削减船撞力51%,耗能比最高可达84%。     

基于AIS数据的桥梁防船撞结构冲击响应分析

针对目前桥梁船撞影响参数不明确的情况,提出利用AIS数据获得桥区实际通航船舶信息,以此为基础进行桥梁抗撞分析及防船撞装置设计。以武汉长江二桥为例,基于AIS数据获得船舶的重量、偏航角、航速等信息,最终确定抗撞分析采用5000 t级船舶作为代表船型,取上行、下行最大偏航角分别为22°、8°,航速取平均航速(上行1.91 m/s、下行3.28 m/s)。在此基础上,采用显式有限元法对该桥主墩受船舶撞击的动态过程进行数值模拟,将获得的船舶撞击力与规范的计算结果进行对比,发现船舶正向撞击桥墩的碰撞力高出桥墩抗撞力的18.85%。根据桥梁防撞需求和船舶撞击力情况,设计了X形夹层结构防船撞装置,分析该装置的抗撞性,结果表明,该装置具有良好的吸能效果,可减少30%以上的船撞力,且能有效减小船舶损伤。     

长沙暮坪湘江特大桥主桥抗撞性能研究与防撞设计

为保证长沙暮坪湘江特大桥主桥船-桥碰撞安全性,对该桥进行了抗撞性能研究与防撞设计。采用LS-DYNA软件开展船-桥碰撞分析,确定设防船撞力;结合冲击谱近似方法确定设防船撞动力作用,计算桥墩动力需求与抗撞能力,评估结构安全性;针对主墩拱脚防护及过渡墩抗弯能力不足等问题,提出由UHPC面板、内置X型耗能钢板、EPS泡沫及D型防撞护舷等构成的钢-UHPC组合防撞设计方案,并开展防撞效果有限元分析。结果表明：除撞击力峰值外,最高水位工况下结构响应均大于最低水位工况;未设置防撞装置时主墩具有较好的抗撞能力,且有一定的安全富余,而过渡墩无法满足抗弯需求;主墩设置防撞装置能在1.5 s内将船舶侧撞速度降为0,有效地阻止了船舶侧向侵入,过渡墩防撞装置钢板厚10 mm时,撞击力峰值降低了35%,主要响应峰值降幅达40%～50%。     

某长江公路大桥防船撞设施研究

以某长江公路大桥为研究对象,通过规范和Midas /Civil软件计算出船舶撞击力和桥墩防撞能力,得出了中高洪水位期大桥自身抗撞能力不足的结论。为此,根据桥墩结构的特点和防撞需求,设计了一种自浮式钢覆复合材料防撞设施,并采用LS-DYNA有限元分析软件建立船-桥碰撞模型进行不同工况的模拟。研究结果表明,该防船撞装置能够有效减少桥墩所受的船舶撞击力并延迟撞击时间,船舶撞击力峰值降低幅度可达30%～39%,具有很好的防撞消能效果。     

船舶-桥墩防撞系统碰撞过程精细化分析

基于动力学基本原理,分别从非线性、接触以及本构关系三个角度选择合适的计算理论建立船舶-桥墩防撞物之间碰撞动态耦合模型,进行大型桥墩防船撞精细化分析。以某斜拉桥柔性防撞钢套箱为实际工程案例,采用ANSYS/LS-DYNA计算模块,数值仿真3 000t及10 000 t轮船撞击钢套箱的动态全过程。对该模型动力响应计算结果进行分析,验证结构防撞效果,并从能量守恒角度检验该计算方法的数值稳定性。分析结果为今后此类结构设计或建立相关规程提供理论参考。     

大跨径斜拉桥防船撞设施设计

通过某大桥的防撞设施设计、实施过程,介绍了浮动式柔性防船撞设施与固定式复合材料防撞设施相结合的防船撞设计方案。该方案具有能有效吸收撞击能量,减小撞击力的优点,在有效地保护桥梁安全的情况下,能最大限度地降低对碰撞船只的损伤,对其他类似工程具有一定的参考作用。     

株洲湘江一桥桥墩抗船撞能力评估及防撞方案研究

船桥碰撞事故常有发生,为评估已建桥梁桥墩的抗船撞性能、指导防撞方案设计,以株洲湘江一桥通航孔8~10号桥墩为对象,建立有限元模型计算了桥墩在受到单位水平撞击力时最危险截面处产生的内力,进而根据相关规范,计算桥墩截面实际能够承受的水平撞击力;建模分析2 000吨级船舶在各工况下撞击桥墩时实际产生的最大船撞力;根据两者计算结果差值评估桥墩的抗船撞能力,提出设置复合材料防撞系统方案并进行比较研究。结果表明:该桥桥墩的横桥向抗撞能力由9号墩强度控制,为11.03 MN;船舶最不利工况撞击桥墩时产生的撞击力为13.55MN,超出桥墩极限抗撞能力;设置复合材料防撞系统后桥墩受到的水平撞击力可明显小于桥墩的水平抗力,从而保证桥墩结构的安全。     

英德浈阳大桥船舶撞击力标准值比较研究

由于现行各船撞力经验公式计算的结果差异较大、设计值不统一,而无法直接应用于桥梁的防撞设计,因而必须结合有限元仿真计算,并综合考虑船桥碰撞各因素来确定。该文借助Ansys/LS-DYNA非线性有限元分析软件,对英德浈阳大桥进行船撞数值模拟,计算了不同工况下的撞击力,讨论了不同水位、不同角度以及船头不同碰撞部位对船撞力的影响。并将数值模拟得到的船撞力和国内外规范经验公式的计算结果进行比较分析,进而确定该桥船舶撞击力的标准取值。     

钢-UHPC组合式防撞浮箱防撞性能研究

由于钢-橡胶组合式防撞浮箱被小型船舶撞击后防腐涂层易被破坏，引起箱体进水、防撞装置下沉等问题，因此多采用新型的钢-UHPC组合式防撞浮箱。为了解钢-UHPC组合式防撞浮箱防撞性能，采用数值模拟的方法，从船舶撞击速度以及角度2个方面探究钢-UHPC组合式防撞浮箱对削减桥墩受到撞击力的影响。结果表明：1)钢-UHPC组合式防撞装置具有良好的削减撞击力的能力，大约在30%～40%;2)该防撞装置对撞击力的削减在正撞下随速度增加而增强，在20°斜撞下随速度增加而减弱，但都能达到30%以上；3)大角度撞击下防撞装置对撞击力的削减效果十分明显，主要是由于该装置具有较好拨转船头效果。钢-UHPC组合式防撞浮箱在实际应用中具备良好的防撞性能，可起到保护桥墩、防止桥墩破坏的作用。     

基于碰撞数值模拟的桥梁等效静力船撞力——基本公式

建立3000-50003t载重吨位共5艘典型船舶的精细碰撞有限元分析模型,采用LS—DYNA碰撞分析软件计算得到相应的船撞力时间过程。给出最大峰值、局部平均和全局平均3种等效静力船撞力的定义,研究3种等效静力船撞力与船舶载重吨位和碰撞速度的关系。基于对碰撞计算结果的统计分析与参数拟合,提出桥梁等效静力船撞力计算的统计关系,并与美国AASnTO《桥梁船舶撞击设计指南》、《欧洲统一规范2．7分册》和我国《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002．1—99）中给出的等效静力船撞力计算公式进行对比和讨论。     

钢套箱-柔性墩柱结构船撞动力分析

钢套箱-柔性墩柱是内河航道中一种常见的防撞装置。采用显式动力分析软件LS-DYNA对内河驳船撞击钢套箱-柔性墩柱防撞装置进行了动力仿真计算,分析了2类代表性工况——正撞及偏撞情况下,船撞撞击防撞装置的碰撞过程、荷载时程,以及防撞套箱变形损伤情况。计算结果表明,2类不同工况在碰撞过程中存在明显区别,正撞情况下荷载峰值较大,但持时较短。2类工况中,钢套箱接触范围内等效应力超过静态屈服强度,但塑性变形只局限于较小范围内。分析结果表明,钢套箱处于安全状态。     

湛江海湾大桥柔性吸能防撞装置研究

该文针对大型桥梁防止大吨位船舶撞击的设施这一国际难题进行了研究。按照柔性消能防撞的模式成功研制出了抵抗5万t级船舶撞击的防撞设施,而且造价较低。该设施的成功实施成为国际首创。在研制过程中,还创造性地提出了“小撞不坏、中撞可修、大撞不倒”的三级防撞设计原则。     

湛江海湾大桥主墩防撞设施结构设计

随着现代社会、经济和技术的发展,江河湖海上的现代大跨度桥梁逐渐增多,航行的船舶数量、吨位快速增长,船舶撞击桥梁的事件也相应增多,对桥梁安全使用构成很大威胁,因此,研究防御性船撞桥设施显得非常必要。该文主要介绍湛江海湾大桥主桥的防撞设施即柔性吸能防撞装置,供业内人士参考。     

考虑误航的船舶撞击桥梁速度计算方法及工程应用

船舶撞击速度是进行船桥碰撞研究的关键参数之一,直接影响船撞力的大小和桥梁的设防标准。通过对船撞事故及现有船撞速度确定方法的分析,考虑桥梁设计通行能力及发生误航的可能,提出一种考虑误航时偏航失速的船舶撞击速度计算方法。通过在某双塔斜拉公路大桥防船撞研究中的应用,采用3种船舶撞击模式进行防撞研究,结果显示,不同模式下通航孔桥墩的撞击速度相差较小,非通航孔桥墩的撞击速度相差较大,考虑以边跨为通航孔时发生偏航撞击模式,对于非通航孔桥梁抗撞设计更加合理,通过LS-DYNA有限元分析软件模拟了船舶撞击桥墩过程,并得到了船舶正撞力标准,可作为防船撞研究和设计的参考。     

某内河航道桥抗船撞安全性能评估分析

鉴于船撞桥事故频发，特别对于桥龄超过20年的内河航道桥，桥梁抗撞能力在设计阶段鲜有考虑，需要进行抗撞安全性能评估。通过Midas Civil、Xtract有限元软件建立分析模型，根据《桥梁抗撞设计规范》(JTGT 3360-02-2020)要求，结合实际通航船舶的情况，对某内河航道大桥通航孔桥墩进行抗撞性能分析。结果表明：桩柱式桥墩在300 t船舶撞击力偶然组合下强度及变形均不满足要求，在100 t船舶撞击力偶然组合下变形不满足要求。建议采取航道控制措施，降低通航船舶吨位、限止船舶通航速度，并设置防撞措施保障桥梁结构安全。基于分析过程，总结了桥梁抗撞安全性能评估的一般流程。