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。本文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。本文演示的方法比传统的经验公式和简化解析法提供了更为精确的结果。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。     

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。     

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。     

基于船桥碰撞的单元填充防护结构研究

文中基于船桥碰撞,运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立船艏-单元未填充防护装桥梁模型和船艏-单元填充防护装置-桥梁模型,其中单元填充防护装置将选用泡沫铝作为填充物。然后仿真模拟撞击船舶与上述两类防护装置的桥墩发生横桥向正面碰撞的整个过程,计算并分析各构件受到的碰撞力、能量转化关系以及变形损伤情况。最后对两大情况下得到的计算结果进行对比分析,并得出相应的结论。     

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。     

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.     

桥梁—船舶碰撞力计算方法研究

船桥碰撞问题是一个多学科交叉的复杂问题,文中综述了船舶-桥梁碰撞问题的常用5种船撞力实用计算方法,对不同的计算方法进行了比较;再结合案例,比较了各种计算方法的结果。     

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。     

基于模糊逻辑的船撞桥风险预警方法

为实现船舶碰撞桥梁前的安全预警及船舶过桥行为的改进,提出一种基于模糊逻辑的船撞桥安全预警模型。通过构建并分析船撞桥情景,确定船撞桥的风险因素,并根据理论分析和统计数据对影响因素进行模糊化处理,建立船撞桥模糊推理规则库和模糊推理机,去模糊化获取船撞桥风险。应用船舶通过港珠澳大桥江海直达航道桥为例,对船撞桥风险进行验证,结果表明该方法能够很好地实现船撞桥安全预警。该预警模型可作为船舶智能航行的重要组成部分,也可供海事部门用于船舶航行的安全监管工作。     

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.     

桥梁上部结构防船撞研究

船舶撞击桥梁上部结构是船撞桥事故模式之一,其撞击特性与撞击桥墩特性相比有所不同。现着重研究了船舶撞击桥梁上部结构的风险分析、撞击力、防撞保护等技术问题,并提出设置警示设施、AIS系统建设、拦截、红外线监测、警戒等防护措施,供通航安全部门参考。     

长江干线船撞桥事故分析

对发生在长江干线上的船撞桥事故进行了分析研究。通过调研掌握了一百余份有关资料 ,包括四十年来发生在十余座长江大桥的 172起船撞桥事故 ,在对事故进行统计分析与研究的基础上 ,得出了一些重要的结论。长江船撞桥事故在数量上略呈增长态势 ,船队撞桥事故远多于单船 ,约占 86 %。船撞桥的概率与桥梁跨距、洪水、能见度等因素有关 ,尤其是洪水对船撞桥概率影响较大 ,近似呈正态分布。发生船撞桥事故的第一位原因是人员失误 ,占 78%以上。     

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.     

跨海大桥桥区航道智能助航系统研发

跨海大桥桥区航道是典型的船舶航行受限水域,船桥碰撞安全风险大,桥区航道智能助航技术有助于提高桥区航道安全保障水平。分析了桥区航道通航风险因素以及水文气象分布规律,按通航规则将水域划分为预警、警戒、航道等不同区块,构建了桥区航行的船舶动态领域风险辨识模型。研发了自主检测船舶动态并向其播发防撞预警信息的装置,以及自动管理和运行软硬件设施的桥区航道船舶避碰智能助航系统。该系统已应用在福建省平潭海峡大桥桥区航道,有效改善了桥区水域的航道通航安全形势。     

基于视频目标检测的桥梁防船撞主动预警技术研究*

为减少船撞桥事故的发生,提高桥区水域的通航安全等级,以目标检测算法为基础通过AForge.NET工具包设计实现对桥区水域的运动船舶实时检测与跟踪。根据运动船舶的航行轨迹预测船舶航向,判断船舶是否具有撞桥危险并做出相应预警措施。并在安徽淮河干流蚌埠段等进行验证试验,试验结果表明检测效果良好,能够对高等级航道桥群河段的桥梁防撞主动预警提供有效可行的实施方案。     

计算船撞力选择撞击速度时考虑墩位流速的方法

进行桥墩防撞设计时，船舶撞击速度是计算船撞力的重要参数之一，它直接影响到船撞力的大小和桥梁的设防标准。本文在分析各国船舶撞击桥墩的速度选取方法的基础上，研究了实际发生船撞时的速度和船舶偏航时船撞速度沿横向的变化趋势，指出了目前世界各国使用的5种方法存在的不足，提出了考虑船撞速度沿桥轴线方向的分布及船舶意外失速等因素综合影响下的撞击速度的计算方法。通过在安庆长江铁路大桥船撞研究中的应用实例，说明按照各桥墩所在位置选取的不同撞击速度计算船撞力的方法较为合理，可作为防船撞研究和设计的参考。     

Statistical Analysis of Ship Collisions with Bridges in China Waterway

Having carried out investigations on ship collision accidents with bridges in waterway in China, a database of ship collision with bridge (SCB) is developed in this paper. It includes detailed information about more than 200 accidents near ship' s waterways in the last four decades, in which ships collided with the bridges. Based on the information a statistical analysis is presented tentatively. The increase in frequency of ship collision with bridges appears, and the accident quantity of the barge system is more than that of single ship. The main reason of all the factors for ship collision with bridge is the human errors, which takes up 70%. The quantity of the accidents happened during flooding period shows over 3 - 6 times compared with the period from March to June in a year. The probability follows the normal distribution according to statistical analysis. Visibility, span between piers also have an effect on the frequency of the accidents.