考虑水与装有自浮式防撞装置的桥墩船撞动力响应研究

作     者：何海燕 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓艳

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 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：流固耦合 光滑流体动力学 船桥碰撞 自浮式防撞装置 

摘      要：近年来,水上运输行业的快速发展,河流和海洋成为了重要的运输通道。这一发展趋势导致桥梁与水上运输之间的冲突日益凸显,桥梁遭受船舶撞击的事件时有发生,不仅威胁到桥梁本身的安全,也影响了水上运输的正常运行。因此,如何有效减少船舶撞击桥梁的损害,提高桥梁对撞击力的抵抗能力,成为了工程界和学术界共同关注的问题。 本文以重庆绕城高速鱼嘴两江大桥及其配备的自复式防撞装置为背景,采用自编程形式,引入光滑粒子流体动力学方法(SPH)作为数值模拟工具,在ABAQUS中实现模拟过程。本文的主要研究内容与结论如下: (1)船舶与桥梁的碰撞涉及到多种物理现象的耦合,冲击速度相对较低、包括大变形和小变形结构断裂。为了精确模拟船舶与桥梁碰撞的复杂物理过程,本文首先深入分析了传统SPH方法的基本原理,包括其控制方程、核函数选择、粒子近邻搜索机制等。将SPH方法在分析小变形问题上的不足通过修正方法,应用到船桥碰撞场景的模拟研究,可有效模拟船桥碰撞过程中小变形。 (2)通过现场试验模拟船桥碰撞过程船舶及自浮式防撞装置轨迹变化,并于有限元模拟对比分析,探讨自浮式防撞装置在水流影响下是否能有效保护桥墩。自浮式防撞装置与船舶在碰撞过程中,低速水流影响下防撞装置能有效保护桥墩。但在较高水流速度影响下,防撞装置与船舶位置相对变化较大,防撞装置存在失效风险,需根据实际情况改变防撞装置具体设计。 (3)建立碰撞模型,模拟不同碰撞场景下的船舶直接撞击桥墩模型。将直接撞击桥墩的仿真结果与装有自浮式防撞装置的桥墩在相同撞击条件下的仿真结果进行详细的对比分析,得到自浮式防撞装置在不同冲击条件下的折减效应数据。 正向碰撞最大碰撞力随着碰撞速度的增加而增大,而且其关系几乎呈现出完美的线性相关性,相关系数高达0.992。最大撞击深度的增长不仅仅是简单的线性关系。在较高速度下,撞击深度的增长速率明显加快。本次碰撞模拟数据与各国规范计算结果对比,本文中仿真模型结果与我国铁路桥涵公式计算结果最为接近。 在较低的初始速度(2m/s)条件下,防护装置表现出最佳的能量吸收效果,此时通过防护装置后的碰撞力仅为未加防护时碰撞力的14%,显示出高达86%的折减效应。随着速度的增加,这种折减效应逐渐减弱。当船舶的初速度为2m/s时,防护装置表现出最佳的碰撞力折减效果,达到了84%的减缓率,这表明在这一特定速度下,防护装置能够极大地吸收和分散撞击能量,有效保护桥梁结构免受严重损伤。相比之下,在初速度为3m/s和4m/s时,碰撞力的折减效果略有下降,达到81%-82%。