桥墩复合材料夹芯板防撞装置性能研究

作     者：肖葱 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：倪志辉

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：船桥碰撞 复合材料夹芯板 有限元仿真 撞击力 墩顶位移 

摘      要：船桥碰撞事故时常发生,这类交通事故严重威胁着人员、船舶和桥梁的安全,鉴于对桥墩设置有效的防护设施可以减轻事故的损失,本文从桥梁防船撞的角度出发,提出并设计了三种不同的复合材料夹芯板防撞装置,并利用非线性有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA,对船舶与桥梁间的碰撞动态过程,以及船舶、防撞系统与桥梁三者间的相互作用进行了深入的仿真分析,通过对碰撞力、能量转换效率以及桥墩顶端位移的综合考察,探究了本文设计的防撞装置的防撞效能,并对其性能进行综合比较分析。本文主要研究成果与结论概述如下: (1)整理了国内外的重大船撞桥事故,总结了国内外碰撞问题研究以及防船撞措施的现状,明确研究的重要性和必要性。 (2)归纳总结了船桥碰撞中Minorsky、Woisin等经典理论及撞击力经验公式,并从中探讨分析船桥碰撞过程中的主要影响因素,即船舶质量、船舶速度以及船舶撞击角度,对本文后续有限元分析提供参数依据。 (3)建立船桥碰撞的有限元模型,并开展船舶和刚性墙的碰撞模拟研究,验证了船舶模型的合理性和准确性。考虑船舶质量、船舶速度以及船舶撞击角度的影响,进行船与桥墩的碰撞仿真,分析碰撞过程中桥梁与船舶的受损情况,以及碰撞力、墩顶位移、能量等随时间变化情况。结果表明船舶在较大速度和较大质量时撞击桥墩产生的水平撞击力峰值以及墩顶水平位移峰值过大,不利于桥梁的安稳,为了减轻桥墩和船舶的受损,需考虑对桥墩安装防护设施。 (4)设计了三款基于复合材料夹芯板的防撞结构方案:一种是聚氨酯泡沫夹芯钢板空心柱体结构,另外两种分别是泡沫铝夹芯板的空心和半空心柱体结构。通过对三种防撞结构进行有限元碰撞模拟分析,评估并比较它们的防撞效果,将比选出的防撞效果最佳的泡沫铝夹芯板半空心柱体结构作为该桥梁防撞设施的主要结构形式。 (5)对泡沫铝夹芯板半空心柱体防撞设施进行防撞性能参数研究,船舶分别在不同速度、吨位及碰撞角度下撞击带有该防撞设施的桥墩,根据撞击模拟结果,从桥梁受力及变形等方面评估该防撞设施的有效性。根据有限元结果分析得出:在2m/s、3m/s、5m/s、8m/s船舶速度下,该防撞设施对船舶受到最大撞击力降低比例分别为43.0%、36.5%、40.1%、45.1%,对桥墩墩顶位移峰值降低比例分别为50.5%、41.5%、35.4%、29.3%。在500t、1000t、2000t、3000t船舶吨位下,该防撞设施对船舶受到最大撞击力降低比例分别为34.2%、36.5%、41.1%、39.8%,对桥墩墩顶位移峰值降低比例分别为34.5%、41.5%、45.8%、49.6%。在0°、30°、45°、60°碰撞角度下,该防撞设施对船舶受到最大撞击力降低比例分别为36.5%、43.8%、47.5%、39.4%,对桥墩墩顶位移峰值降低比例分别为41.5%、37.8%、34.5%、30.7%。通过以上结论可知,在不同的碰撞工况下,该防撞设施都能很好地降低桥墩受到的撞击力和墩顶位移,是一种有效的防护设计。