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桥梁防撞研究技术与方法.doc

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桥梁防撞研究技术与方法.doc

专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏桥梁防撞研究技术与方法姜金辉,金允龙,潘溜溜,梁文娟上海船舶运输科学研究所,上海,200135摘要针对桥梁防撞研究这一工程界热点问题,概述了桥梁防撞研究的一般研究方法和思路,简述了船桥碰撞力学的计算方法和船撞桥风险概率分析方法,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。并且利用非线性有限元分析技术对桥墩设计防撞方案进行了性能分析,验证了防撞设施的有效性。关键词桥梁防撞防撞装置非线性有限元船撞桥概率TechnicsandMethodsofShipBridgeCollisionsandProtectionJIANG,Jinhui,JINYunlong,PANLiuliu,LIANGWenjuanShipResearchDivision,ShanghaiShipShippingResearchInstitute,Shanghai200135,ChinaAbstractAimingatthehotissuesinengineeringcirclesofbridgesagainstshipcollision,themethodsofshipbridgecollisionandprotectioningeneralaresummarized,includingcalculationmethodsofshipbridgecollisionmechanicsandanalysismethodsofshipbridgecollisionrisk.Furthermore,onthebasisofShanghaiYangziRiverBridgeProject,thevesselimpactforceandthedesignofbridgeprotectiondeviceofthemainpierisresearched.ByusingnonlinearFEM,thepierprotectiondesignisconfirmedtobeeffective.KeyWordsprotectionofbridgeagainstshipcollision,bridgeprotectionstructure,nonlinearfiniteelement,shipbridgecollisionrisk1.前言随着经济和交通运输的发展,航运量不断增大,受船舶撞击而诱发的桥梁跨塌事件日益增多。统计资料表明,最近几十年来,世界上发生的船舶撞毁桥墩的重大事故就超过百余起。这类事件往往造成桥梁倒塌,船舶沉没、人员伤亡和水陆运输干线长期中断的严重后果。经济和社会损失巨大。因此,船桥碰撞及桥梁的防撞研究已成为具有广泛意义的国际性课题,日益引起各国政府、学者、工程界的关注。多年来,国际、国内发展了许多经验公式和简化数值方法13来预报船撞力,而随着动态非线性有限元技术和计算机硬件的发展,采用有限元数值模拟方法对确定船舶撞击力大小及损伤变形形式,以及研究安装防撞设施后的防撞效果有了一个更准确和直观的分析和描述。本文概述了船桥碰撞问题的一般研究方法,简述了船撞桥风险分析方法,并以昆兹模型为基础推导出了能应用到船舶撞击桥墩实际情况中的碰撞概率公式,同时针对上海长江大桥工程,利用非线性有限元方法对主通航孔桥桥墩的船舶撞击和防撞设计问题进专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏行了模拟研究。2.桥梁防撞研究的一般方法和思路建设在航道上的桥梁,如果有桥墩位于水中且水深满足船舶吃水要求,就需要研究水中桥墩的船舶防撞问题。一般的桥梁防撞研究涉及两个方面的问题船撞力标准研究和防撞设计。2.1船撞力标准研究一般来讲,在桥梁的工可设计阶段,就要确定防撞力设计标准,是桥梁设计方案考虑的重要参数和依据之一。对于水中不同位置的桥墩,防撞力标准是不同的。桥墩防撞力设计标准的确定包括以下研究工作(1)通过桥区调研,收集论证影响大桥防撞的关键参数,包括a桥址水域通航船舶的吨位、频率,通航船型历史、现状及预测、船舶通航密度、装载情况b不同吨位吨级船舶过桥时的航速,包括上、下水航速防撞计算中撞击速度的选取以及其合理性评价c通航船舶主要参数d水文资料、防撞水位、水流速度e航道条件、航道等级、航道现状、航道规划f桥址处的水流流速流向、风速风向,波浪统计参数g桥址周围的港口、码头、渡口位置、船舶密度、吨位信息h桥区水域有关航行管理规定及相关信息等。(2)计算船撞力依据调研和论证结果所确定的防撞代表船型,防撞速度、防撞水位、桥梁设计等参数,运用船舶碰撞动力学理论,选取适合的一种或者几种船桥碰撞计算方法,计算不同桥墩的船舶撞击力。(3)确定防撞力设计标准依据通航船舶的主要尺度、流量密度、航道特征,桥位水文特征参数、桥梁几何参数、航道规划、及船舶事故统计等参数,采用船桥碰撞概率风险分析方法,建立船舶撞击桥墩的概率模型,进行船舶撞击桥梁风险评估。依据桥墩的重要性确定桥墩撞损频率可接专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏受准则,结合船舶撞击力确定出各桥墩防撞力设计标准。2.2桥墩防撞方案设计研究桥梁的防撞措施一般可分为两种方式主动防撞和被动防撞。主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预,避免船撞桥事故发生。本文中的防撞方案设计属于被动防撞方式,即通过桥墩自身的加强或防护设施来抵抗船舶的撞击威胁。在实际中通常两种方式同时采用。桥墩防撞方案设计,主要依据桥墩基础方案,综合考虑研究桥墩自身的抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等,对需要防撞的桥墩进行桥墩防撞方案设计研究,在满足防撞要求的同时应尽量降低防撞工程造价。3.船桥碰撞力学计算方法概述关于船桥碰撞问题目前主要有以下几种比较典型的计算方法。1.Minorsky理论4Minorsky船船碰撞理论自1975年公开发表后,已为众多的实验证实,由此奠定了船船碰撞的分析基础,并推广应用于船桥碰撞,为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky的研究工作主要是将船船碰撞问题分为两个相互独立的部分,即动能损失和结构损伤,并用统计分析方法将他们联系在一起。2.汉斯德鲁彻理论5汉斯和德鲁彻教授根据CG71955A合同研究提出的,主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击。该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型,计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持续时间。3.数值解法6数值解法产生于船船碰撞理论,引申到船桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Petersen方法和它的扩展计算方法3。前者提的计算方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动,归结为两维问题。后者将该问题扩展为三维情况,考虑了碰撞中船舶6个自由度运动。在该方法中流体动力用切片法计算,碰撞力则假设为贯入量的非线性函数,通过6根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时,就成为船桥专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏碰撞的模拟计算。4.简化解析法简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型,导出这些简化模型损伤的理论公式,分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能,最后合成总的船舶结构碰撞损伤力和能量。例如GeWang7等和DTU的DEXTRA程序8等。简化解析法是一种非耦合的方法。5.实验方法9通过碰撞模型实验,直接测量船桥碰撞中碰撞力、变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵,一般难以实施。有关资料表明从六十年代初开始,日本、德国等国德学者相继完成了少量船船碰撞试验,而船桥碰撞试验的资料还未发现。6.有限元方法10有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用关系,在计算象船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时,更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。在有限元方法中,相撞结构(或构件)之间的相互作用通过接触算法来完成。在可能发生接触作用的结构之间定义主从接触面,分别定义在两个不同的结构(或构件)上。见图1。在求解的每一个时间步,检查从属节点是否已经穿透主面,如果还没有穿透,则计算工作继续进行否则在垂直于主面的方向上施加一作用力以阻止从属节点的进一步穿透,这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性。计算中碰撞力的输出是通过定义船桥之间的接触面,以接触力的形式给出的。4.船撞桥风险概率分析方法4.1风险接受准则在风险分析中,风险接受准则表示在规定的时间内或系统的某一行为阶段内可接受的风险等级,它直接为风险分析以及制定减小风险的措施提供参考依据,因此在进行风险分析时应是预先给定的。桥梁通常采用年撞损频率作为风险接受准则。根据AASHTO规范,桥墩受撞后的破坏概率PC是指船撞力大于桥墩抗撞能力引起桥墩破坏的概率,由船舶撞击力与桥墩防撞力确定。当桥梁构件强度大于船撞力时,PC=0当桥梁构件强度介于船撞力的10%与100%之间时,PC在0与0.1之间线性变化当桥梁构件强度小于船撞力的10%时,PC在0.1与1之间线性变化。

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