桥梁防撞研究技术与方法

针对桥梁防撞研究这一工程界的热点问题，概述了桥梁防撞研究的一般方法和思路，简述了船一桥碰撞力学的计算方法和船撞桥的风险概率分析方法，同时结合上海长江大桥工程，对主通航孔桥墩进行了防撞力标准和防撞方案研究。利用非线性有限元分析技术，对桥墩设计的防撞方案进行了性能分析，验证了防撞设施的有效性。     

船-桥碰撞力学问题研究现状及非线性有限元仿真

归纳研究了船舶与桥梁碰撞力学的几种典型计算方法，并对各自的特点进行了分析。文中借助DYTRAN非线性有限元程序，以一艘4万吨级的油船与长江上某一斜拉索桥发生正向碰撞为例，演示了有限元法仿真计算船-桥碰撞问题的一般过程。反映了船-桥碰撞过程中船艏、桥梁承合、桥面和拉索的力与变形的时间历程，得到了具有指导意义的结论。     

整船碰撞非线性有限元仿真

笔者在国内首次利用非线性显式有限元方法对可变形的船首结构撞击可变形的船侧结构的全过程进行了动态模拟。本文通过对一艘40000t油船正撞30000t散货船船侧的数值仿真讨论了船舶碰撞数值仿真中所涉及的关键技术，给出了船舶碰撞仿真中提高计算效率、精确性和稳定性的原则和方法。     

船舶-桥墩碰撞与防护计算

简述船-桥碰撞有限元动态模拟计算原理和实际应用的关键问题，通过5万吨船首碰撞桥墩的计算示例，说明结构模型化的过程、碰撞中力和能量的时间历程和结构的损伤情况，分析防撞装置的作用。     

冲击荷载下的桥梁损伤有限元仿真

应用非线性有限元分析软件MSC/Dytran对某质量为5 000 t,航速为5m/s的刚性撞头正撞某桥承台的碰撞过程进行了仿真计算。计算结果显示了碰撞过程中船撞力的变化情况,桥梁结构损伤情况以及桥墩、桩基础内部应力分布与变化情况。并在对碰撞过程分析的基础上提出桥梁设置防护装置的必要性。     

AASHTO概率模型在船桥碰撞风险评估中的应用

近年来随着航道等级的提升,设计通航船舶尺度增大,要求的通航净空尺度增加,桥区通航水域条件发生显著变化。桥梁存在船撞风险,需对船撞桥梁风险实施评估、为实施防撞设施工程提供依据。国内外因船舶撞击而导致桥梁垮塌或严重破坏的事故逐渐增多,平均每年就有一座大型桥梁因为船舶撞击而遭受严重破坏甚至倒塌。北江航道乌石至三水河口航段经整治由Ⅳ级提升为Ⅲ级后,桥梁存在船撞风险。以船撞桥概率模型(AASHTO)为研究方法,分析了整治河段清远北江二桥参数对船撞桥概率的影响,计算了船舶撞击桥梁各涉水桥墩的年撞击概率,确定了存在较大船撞风险的桥梁与涉水桥墩,建立了船撞桥损伤概率模型,分析桥梁各部位抗撞能力、桥梁各部位船舶撞击力及各部位的年撞击频率,得出通航孔桥墩的年撞击倒塌频率。     

三体船与刚性体碰撞性能及结构优化研究

以经典小型高速三体船为研究对象,对碰撞非线性有限元分析方法及理论进行研究。借助动态非线性有限元软件MSC.Dytran,模拟三体船整船结构模型,通过三体船主体与刚性墙之间正面碰撞,研究其在结构损伤变形、位移、速度、碰撞力和船体结构能量吸收等方面上的性能,并对三体船结构提出优化方案。通过仿真计算和比较,得出在碰撞过程中的碰撞力、速度、撞深以及能量吸收等耐撞性指标,为三体船结构优化和船舶正常航行提供参考依据。     

船舶撞击下的车—桥耦合系统动态响应分析

文章将"船桥碰撞"与"车桥耦合"联系在一起进行研究,建立了斜拉桥、轻轨和船舶的三维非线性精细有限元模型,研究了轻轨列车-斜拉桥动态耦合系统在船舶碰撞下的动态响应。数值模拟过程分以下四步:桥梁初始成桥状态模拟,轻轨列车—斜拉桥动态耦合模拟,船舶与桥梁的碰撞模拟和桥梁—火车—船舶相互作用模拟。桥梁初始状态及大变形通过更新拉格朗日法和共旋转推导法来实现。通过与平面杆系有限元模型的计算结果进行比较,证实了全三维有限元建模方法在车—桥动态耦合响应分析中应用的准确性。研究通过基于罚函数的动态接触方法来实现车—桥耦合和船舶的碰撞过程,采用递归谱二分法的并行计算技术来缩短计算时间,基于显式中心差分插值法来进行数值求解,该方法证明在分析车—桥—船之间的耦合动态响应是一种有效的技术,为设计阶段模拟桥梁的动态特性提供了有效手段。结果表明,当发生船—桥碰撞时,轻轨列车运行到主桥塔附近行车安全的影响最大。     

武汉天兴洲公铁两用长江大桥1#墩防撞设计与分析

介绍了天兴洲大桥的工程特点和设置防撞装置的必要性,提出了适合该桥梁防撞要求的等截面桥墩防撞设施,并采用有限元方法对船与该防撞装置的碰撞过程进行了模拟,得出了桥梁设计所关心的技术指标,满足了设计破要求.     

重庆白鹤梁题刻保护工程交通廊道防撞结构设计

针对上游相邻码头船舶失控进入重庆白鹤梁题刻水下保护工程禁航区对连接岸边陈列馆与水下保护体的交通廊道构成危险的问题,进行了防撞结构的研究。采用ANSYSLS-DYNA软件建立非线性有限元模型仿真模拟船舶与防撞结构的碰撞过程,得到不同水位及碰撞角度下的船撞力、船撞能量和结构变形的时序结果,所采用的"群桩"形式的多级钢结构平台防撞设施是可靠的,最大结构应力小于钢材的抗拉强度,船撞下结构处于安全状态,最终可以拦停船舶,保护廊道安全,并且不破坏城市景观效果,与周围建筑环境协调。     

船艏横向加强框架对船艏耐撞性能的影响

在撞击过程中船艏结构的典型损伤是外壳板和内加筋的褶皱，撕裂和弯曲。在以前的船舶结构的碰撞分析的简化方法或数值模拟中往往略去横向肋骨框架对船艏碰撞性能的影响。本文利用有限元数值仿真方法研究了横向肋骨框架在碰撞损坏过程中的作用，发现其对船艏结构的损伤形态、碰撞力及能量耗散有重要影响。因而是碰撞计算中不可忽略的因素。     

船舶碰撞缓冲型球鼻艏概念探讨--球鼻曲率对碰撞的影响

船舶碰撞事故中，被撞油船船侧的破裂会引起严重的海洋污染，故油船双层船壳设计成为防止被撞油船破损的有效措施。但随着海上运输船舶的数目及尺度的日益增大，双层船壳已不能满足防止船侧破损的要求。本文提出了缓冲型球算般的构思。在船舶相撞的过程中，球鼻艏曲率的尖锐程度影响被撞船船侧的损伤程度，故提出并讨论了表征球鼻艏碰撞特性的标志性参数。通过对不同曲率的球鼻艏一系列的碴撞数值仿真计算，详细描述了外形曲率对球鼻艏的变形形态、碰撞力、碰撞力密度及能量吸收的影响，指出船舶采用钝形的球鼻艏能有效减小碰撞时的穿透损伤。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

船舶与桥墩碰撞的数值模拟

利用有限元软件,模拟4种不同载重吨位的船舶以不同的速度与某桥墩发生碰撞的过程,演示有限元法仿真计算船桥碰撞问题的一般过程,着重分析船舶和桥墩的损伤程度.在此基础上,归纳出撞深速度、撞击时间-速度和桥墩的应力分布.     

油轮艏部结构碰撞特性研究

在船舶碰撞中,船艏是主要作用方.船艏结构的碰撞特性是影响船-船碰撞过程中被撞船舷侧结构损伤程度的决定因素.为减少碰撞事故损失,应从碰撞的观点对船艏结构的特性进行研究,提出一种研究船艏的碰撞特性的方法及表征船艏碰撞特性的特征量,据以改进船艏设计.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,它可以用于定量表达船艏结构对其它结构的破坏能力.利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万吨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.     

高强度钢缓冲型船艏研究

在船舶碰撞事故中，一般船侧的破损程度比船艏大，从环境保护的全局意识及降低整体经济损失的角度出发，应该在保证船艏结构在能够承受常规载荷的前提下适当地减小其纵向刚度，使其在撞击船侧时导致船侧破损的可能性降低。笔者从损伤形态，碰撞力，碰撞力密度和能量吸收等方面对采用高强度钢的缓冲船艏进行研究，发现船艏结构采用高强度钢在等强度的条件下，可减少结构的板厚和船艏结构的临界压溃载荷，从而降低对被撞船舶侧结构的破坏。     

Design of bridges against ship collisions

The paper outlines a rational design procedure for bridge piers and pylons against ship collision impacts. Firstly, a set of risk acceptance criteria are proposed. This is followed by a mathematically based procedure for calculation of the probability of critical ship meeting situations near the bridge, and the probability of ship collision accidents caused by human errors as well as technical errors. This first part of the paper leads to identification of the largest striking ship, “design vessels”, a given bridge pier must withstand without structural failure in order for the bridge connection to fulfil the risk acceptance criteria. The final part of the paper is devoted to an analysis of the needed impact capacity for the bridge pylons and piers exposed to ship bow impact loads from these “design vessels”. For a number of different ship types and different tonnage merchant vessels, load – displacement relations for ship bow collisions against rigid walls are derived. Based on these comprehensive numerical results, a new empirical relation is derived which is suited for design against bow collisions. This expression for maximum bow collision forces is compared with a previously published expression for ice-strengthened ships and with existing standards for assessment of bow crushing forces. It is shown that there is need for an update of these existing standards. For design of piers and pylons against local impact pressure loads, a pressure - area relation for bulbous bow impacts is derived.     

柔性、刚性球艏对双壳舷侧结构耐撞性能影响的研究

采用非线性显示动力有限元软件LS_DYNA,对舷侧双壳结构在柔性和刚性球艏撞击下的动力响应进行仿真研究.采用全船有限元模型,考虑船体周围附连水质量对结构动力响应的影响.给出了碰撞力-撞深、能量-撞深曲线以及各构件吸收的能量.仿真结果表明:不同球艏撞击下舷侧内外壳板的破裂时刻、撞深和舷侧结构变形性能都有所不同.     

Fast evaluation of ship-bridge collision force based on nonlinear numerical simulation

The max collision force of ship-bridge collision is one of the most important references for bridge design. By means of nonlinear digital simulation method, the collision forces of the collisions between rigid bridge pier and ship bow were calculated out for four different ships, whose tonnages are 5 000, l0 000,50 000 and 60 000 DWT respectively. Curves of collision force-penetration and absorbed energy-penetration are obtained, and the data of the max loads are then summarized. On the basis of these curves and data, a set of curves describing the relationships between max collision forces and tonnages of the ships are successfully presented, by which the max collision forces of the ships-bridge with different tonnages and in different velocities can be estimated easily and reliably.