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。     

独立桩防撞垫耐撞性拓扑优化设计

目前对独立桩(电线杆、树等路面固定物)专有的保护装置的研究还较少,现有设计一般只单方面考虑失控车辆或被撞击物的安全性。针对现有独立桩保护装置安全性不足的问题,设计了一种满足TB级(60 km/h)的保护独立桩的防撞垫。首先根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013),并考虑城市道路行驶条件,选择1.5 t小客车作为碰撞车型,依次建立车辆-防撞垫正碰、斜碰和偏碰3种工况下的拓扑优化有限元模型;然后运用基于混合元胞自动机的耐撞性拓扑优化方法,对防撞垫进行耐撞性拓扑优化分析,获取了较为规则、合理的独立桩防撞垫的拓扑构型。利用正交试验设计方法对保护独立桩防撞垫进行优化设计,确定保护独立桩防撞垫的结构尺寸参数的最优组合。最后,对最优参数组合的防撞垫进行有限元仿真验证分析。结果表明,车辆撞击优化后的防撞垫,3种工况下的车辆质心加速度均小于20g,满足防撞垫安全性能评价标准要求;安装了防撞垫的独立桩受到的撞击力仅为没有安装防撞垫的独立桩受到的撞击力的1/3,能够大大降低独立桩断裂的风险。优化后的独立桩防撞垫结构尺寸较小,便于安装和使用,对于保护事故黑点、重要场景中的独立桩,保障乘员安全具有实用价值。     

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。     

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%。     

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。     

冲击荷载下预制装配式护栏的防撞性能分析

针对普通砼护栏无法解决车辆等冲击下损伤过大且碰撞发生时前车轮易卡死在护栏下的问题,提出新型有自复位功能的预制装配式防撞护栏,并通过有限元分析研究冲击荷载下装配式护栏的动力响应及能耗规律,分析不同冲击荷载及不同结构轴压比下护栏的防撞性能。结果表明,冲击发生时,该护栏呈现明显的瞬时碰撞和后期二次碰撞2个阶段,整个过程冲击力峰值持续时间较短,结构刚性位移较大且能量变化平缓;结构轴压比主要影响冲击时的后期二次碰撞阶段,较小的轴压比能增大结构的耗能能力并延缓二次碰撞发生时间;该护栏在冲击荷载下具有良好的防撞性能,且能满足快速绿色施工的要求。     

跨江大桥防撞设计方法及动态分析

结合国内外桥梁防撞的既有技术,对大跨径斜拉桥的防撞设计思路和方法进行了研究,并对常用防撞设计方法进行了对比分析.以江津粉房湾公轨两用斜拉桥为例,通过对大桥防撞特点的分析和防撞设计方法的比对,优化出了大桥的最佳防撞方法;基于动态非线性有限元理论,研究了大桥防撞主墩的总体结构抗力和代表船型作用下的碰撞力,分析了桥梁船舶撞击点位的受力特征.研究结果表明:在不同水位下,代表船型以各水位对应的撞击速度撞击(正、斜撞)大桥主墩,船撞力均小于结构的设计抗力,其中以P3主墩在187.83m水位遭受船舶正撞条件下的横桥向船撞力最大,约38.68 MN,小于其对应的设计抗力66 MN;虽然撞击位置局部角点出现拉应力超过C50混凝土自身抗拉强度的问题,但可通过增设构造钢筋来解决.     

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。     

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。     

安海湾特大桥船撞力评估及防撞方案研究

船撞桥事故常有发生,准确预测船舶撞击下桥墩受力对评估桥梁结构船撞性能及进行合理的防撞结构设计具有重要意义。基于非线性有限元方法,分析了安海湾特大桥主桥墩柱在500～6 000 t位范围内6个吨位等级船舶5个撞击速度的接触界面力时程特征,对比论证了现有规范船舶撞击力简化公式的有效性;对安装浮动式柔性防撞装置的大桥主墩开展3 000 t级船舶正撞和侧撞两个场景瞬态动力仿真分析,从接触界面力峰值和冲击持时评价防护装置有效性。研究结果表明,各国船撞力经验公式计算结果相差较大;船舶撞击接触界面力峰值随船舶吨位和撞击速度增大而非线性增加;浮动式柔性防撞装置能够有效地降低船舶撞击力峰值。     

桥墩防船撞消能器动力性能的数值仿真分析

利用显式瞬态非线性有限元分析技术,探索了船舶撞击桥墩防撞设施的数值仿真分析方法,分析中充分考虑了碰撞中出现的材料非线性、几何非线性、接触非线性、运动非线性以及它们之间相互耦合的特性。并借助于ANSYS/LS DYNA非线性有限元程序,仿真分析了洞头跨海大桥主桥桥墩的防撞消能器在各种船舶撞击下的动力性能,得到了不同的撞击角度、不同的初始动能下船舶的动能损失、撞击力时间历程及防撞消能器的能量吸收和变形的时间历程,并得到了它们之间的相互关系,为桥墩防撞消能器的优化设计提供了一些理论根据。     

非通航孔桥的大距离走锚消能式防撞系统

为了防止船舶撞击非通航孔桥,提出一种大距离走锚消能式防撞系统.该系统由水面拦阻系统和锚碇系统组成,主要特点是利用重力锚大距离走锚过程消耗船舶动能.根据动能定理,采用分步迭代法,完成了防撞系统受船舶撞击过程的数值分析.数值计算结果显示:船舶艏正掩决定浮简所能提供浮力的下限和拦阻锚链的最小承载力;船舶横向撞击引起的防撞系统移动距离,则是防撞系统设置位置至桥位距离的决定因素.     

桥墩在车辆撞击作用下的动力响应分析

为了研究桥墩在车辆撞击作用下的动力响应,以云南省某跨线桥为研究对象,基于有限元分析软件建立车辆对桥墩碰撞计算模型,通过分析得到了不同的工况下,桥墩墩顶墩底的位移和应力变化。从碰撞系统的能量转化过程来看,决定撞击荷载对桥墩损伤程度的因素很多,除桥墩本身的结构特性外,碰撞结果不仅与撞击车辆的速度、撞击方向、质量和刚度相关,防撞设施的结构特性、变形能力等也起着至关重要的作用,本文研究成果可为城市道路、高速公路上的跨线桥的防撞设计提供相关依据。     

基于修正半正弦波荷载模型的防撞拦截系统动力分析

某码头引桥防撞拦截系统(由防撞墩、拦截钢管排架和锚链组成)按旧规范驳船等效静力250kN设计。为了解该系统在新规范下的防撞能力,采用MIDAS软件建立模型,船舶撞击力按修正半正弦波荷载模型取值,计算撞击力分别作用于防撞墩和钢管排架时结构的位移和应力,并与新规范等效静力(1 000kN)结果进行对比。结果表明:撞击力作用在防撞墩时,防撞墩最大位移达0.36m并逐渐衰减,几乎无残余变形,钢管桩应力较大、已屈服但可正常工作;撞击力作用在钢管排架时,排架最大位移达3.74m并逐渐衰减,10s后残余变形稳定在2.27m,钢管桩应力接近极限强度但未倒塌,需维修加固方可工作,防撞拦截系统满足原防撞目标要求;当施加等效静力预判结构进入屈服时,应考虑进行动力分析。     

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。     

曾家岩嘉陵江大桥船撞设防标准研究及防撞方案设计

为判定曾家岩嘉陵江大桥所处的风险等级,以确定桥梁的设防船撞力标准,参考《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》,对该桥梁在目前、近期和远期的年碰撞频率和倒塌频率进行计算分析,与可接受的风险准则进行了对比,并通过建立桥梁、船舶精细化的三维有限元模型,采用动力数值模拟方法计算桥墩在不利撞击工况下的船撞力,从而确定了桥墩的船撞设防标准。同时为了避免桥墩局部损坏,降低碰撞事故中的船舶损伤,实现对桥梁和船舶的双重保护,提出了设置固定式复合材料防撞护舷的防撞方案。     

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。     

桥梁复合材料防撞方案研究

在介绍船舶撞击桥梁成因的基础上,分析桥梁防撞设施应达到的具体要求,并详细比较了现有的间接式、直接式防撞设施的特点与适用情况。基于现有桥梁基础防撞方案的局限性,经理论分析与试验研究,提出了自浮式复合材料防撞方案。该方案采用自浮式复合材料防撞箱系统,其外壳为耐腐蚀性能强、弹性性能好的纤维复合材料,内部填充强度与刚度较大的纤维复合材料空心缠绕管,紧挨船舶撞击部位为纤维复合材料耗能缠绕管。该防撞设施可使船舶撞击力保持在可控范围内,确保大桥结构安全,同时还可有效减轻船舶受损程度,具有造价低、耐腐蚀、绿色环保等优点。     

防撞钢套箱在碰撞中的响应分析

以广州市珠江特大桥250mPC连续刚构桥主墩防撞设计为工程背景,通过非线性动态有限元数值仿真分析,获得防撞套箱在船桥碰撞发生时的动态变形和内部应力历程,对多种工况碰撞仿真分析,总结防撞套箱冲击响应的一般规律和特点,从而可为同类结构分析、设计提供借鉴。     

前防撞横梁布置分析研究

文章通过不同车辆碰撞试验工况下,前防撞梁的布置区域和防撞梁截面对碰撞安全的影响,分析得到前防撞横梁应布置区域和防撞梁截面尺寸设计范围,为工程设计中提供参考依据。