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基于船-桥碰撞接触时间的船撞力简化计算方法

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建筑科学与工程学报 2016年第4期33卷 103-110页

作者：方海韩娟刘伟庆祝露庄勇南京工业大学土木工程学院江苏南京211816 中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430034

通过数值模拟初步分析了不同吨位船舶撞击代表性桥梁工程的接触时间,根据船-桥碰撞动力学模型得出了船撞力和接触时间的理论解;分析了船舶质量、初始撞击速度、船艏刚度以及桥墩刚度等参数对碰撞接触时间的影响,拟合出碰撞接触时间的简... 详细信息

通过数值模拟初步分析了不同吨位船舶撞击代表性桥梁工程的接触时间,根据船-桥碰撞动力学模型得出了船撞力和接触时间的理论解;分析了船舶质量、初始撞击速度、船艏刚度以及桥墩刚度等参数对碰撞接触时间的影响,拟合出碰撞接触时间的简化计算公式,并通过实际船-桥碰撞工程的数值模拟对简化计算公式进行了验证,从而修正了中国《公路桥涵设计通用规范》中关于漂浮物撞击桥梁的碰撞接触时间的定义;基于冲量定理分析了船-桥碰撞接触时间与峰值船撞力的关系,研究了船撞力时程曲线与正弦波和三角波的关系,并与数值模拟结果进行了对比分析,建立了峰值船撞力简化计算公式。结果表明:船-桥碰撞接触时间与船舶质量和接触刚度有关;峰值撞击力计算值与数值模拟结果吻合较好。

关键词：船-桥碰撞接触时间船撞力简化计算方法

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船-桥碰撞有限元数值模拟分析

工程与建设 2016年第1期30卷 22-24页

作者：左玉强合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

文章以船-桥墩碰撞为主要研究对象,重点探讨碰撞过程中撞击力、撞深的变化以及速度对撞击结果的影响,利用LSDYNA进行数值模拟,仿真分析船舶在不同初始速度情况下的撞击结果,并与各国规范进行比较,同时分析船舶刚度对撞击结果的影响,为... 详细信息

文章以船-桥墩碰撞为主要研究对象,重点探讨碰撞过程中撞击力、撞深的变化以及速度对撞击结果的影响,利用LSDYNA进行数值模拟,仿真分析船舶在不同初始速度情况下的撞击结果,并与各国规范进行比较,同时分析船舶刚度对撞击结果的影响,为桥墩防护设计提供参考依据。

关键词：船-桥碰撞有限元数值模拟撞击力桥墩

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考虑流体效应的船-桥碰撞数值模拟法研究

工程力学 2015年第8期32卷 120-128页

作者：田力黄飞天津大学建筑工程学院天津300072 曼彻斯特大学机械航空航天及土木工程学院天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300072

有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、... 详细信息

有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、应力、截面内力以及计算效率等方面的结果进行了比较分析。结果表明:流体对船艏碰撞力影响较小,但能降低船舶的损毁程度;流构耦合计算模型中的墩顶水平位移响应要略小于附加质量模型和不考虑流体影响时的计算结果;不同计算模型所得桥墩有效应力基本相同且具有相同的分布规律;船-桥碰撞附加质量模型在计及流体与结构相互作用的同时,具有较高的精度和计算效率。

关键词：船-桥碰撞数值模拟流构耦合附加质量动力响应

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常泰长江大桥船撞抗力研究及安全性评估

桥梁建设 2024年第3期54卷 78-84页

作者：张景峰荀非帆尹震君苑仁安方海长安大学公路学院陕西西安710064 江苏省交通工程建设局江苏南京210004 中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430056 南京工业大学土木工程学院江苏南京211816

为确保常泰长江大桥建设和服役安全,对大桥进行船撞抗力研究及安全性评估。采用单位荷载法计算各涉水下部结构船撞抗力及其船撞破坏控制模式;基于船-桥碰撞概率模型得到各墩碰撞概率,明确常泰长江大桥船撞风险等级,通过对比数值模拟和... 详细信息

为确保常泰长江大桥建设和服役安全,对大桥进行船撞抗力研究及安全性评估。采用单位荷载法计算各涉水下部结构船撞抗力及其船撞破坏控制模式;基于船-桥碰撞概率模型得到各墩碰撞概率,明确常泰长江大桥船撞风险等级,通过对比数值模拟和经验公式计算的船撞力,确定设防船型碰撞各下部结构船撞力;以船撞安全系数和实际防撞吨位为指标进行船撞安全评估。结果表明:1~4号墩船撞破坏模式均由碰撞截面抗剪强度控制,5号和6号塔船撞破坏模式均由基底地基竖向承载力控制;在目前船舶流量下全桥船舶年碰撞概率为1.58次/年,与同类桥梁相比船舶碰撞风险较低且处于安全可控水平,大桥孔跨布置和航道规划合理;全桥涉水下部结构船撞安全系数为1.10~6.54,各下部结构实际防撞吨位均大于相应设防船型吨位,常泰长江大桥涉水下部结构抗船撞性能满足要求。

关键词：桥梁工程船-桥碰撞船撞抗力控制模式碰撞概率船撞力安全性评估有限元法

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桥墩被动防船撞设施发展评述

公路交通科技 2024年第1期41卷 116-125页

作者：王凯李茜宋彦臣吕奖国安徽省交通控股集团有限公司安徽合肥230088 交通运输部公路科学研究院北京100088 北京工业大学北京100124

桥梁被动防船撞装置通过缓冲和吸收撞击能量,是保障桥梁在船舶撞击下结构安全的重要措施之一。由于各类防船撞设施的结构差异较大,其防护、维护等功能需求以及对航道环境的影响都存在较大差异。为此,首先梳理了被动防船撞装置的分类方法... 详细信息

桥梁被动防船撞装置通过缓冲和吸收撞击能量,是保障桥梁在船舶撞击下结构安全的重要措施之一。由于各类防船撞设施的结构差异较大,其防护、维护等功能需求以及对航道环境的影响都存在较大差异。为此,首先梳理了被动防船撞装置的分类方法,针对钢浮箱、复合材料浮箱、钢围堰、普通橡胶护舷等各类防船撞装置的防护性能与研究应用现状进行了分析。结合对国内外35座特大桥梁开展的防撞措施应用状况调查,总结归纳了各类防船撞装置的特点与适用场合,梳理了当前各类防撞装置面临的技术问题。最后,针对未来被动防船撞设施的发展提出了钛钢复合板材和FRP复合钢板等高性能复合金属材料应用、GFRP部件连接新工艺与新形式研发、拦截索网自适应技术及其恒定阻力装置研发等有待进一步研究的问题和展望。调研与分析结果表明:通航孔桥墩以采用直接型防撞装置为主,对于非通航孔桥墩则采用间接型防撞装置,独立防撞钢管桩适用于内河航道非通航孔桥且水中桥墩较少的情形,人工岛目前应用较少。未来被动防船撞措施在强耐久性、高耗能以及受力稳定性方面,仍需进一步深入研究和改进,以提高桥梁被动防船撞措施的防护性能。

关键词：桥梁工程被动防撞设施应用调查适用性船-桥碰撞展望

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考虑桩-水-土耦合的船桥碰撞损伤特性

船舶工程 2024年第1期46卷 65-78页

作者：张子阳刘昆王加夏俞同强高振国刘赫崴江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

船桥碰撞问题是一种复杂的非线性动力学问题,现存规范经验公式只能对其最大碰撞力进行预测,无法全面预测船-桥结构的损伤特性,而有限单元法可有效地对这一不足进行补充。通过LS-DYNA软件研究考虑桩土作用和流固耦合效应的船桥碰撞损伤特... 详细信息

船桥碰撞问题是一种复杂的非线性动力学问题,现存规范经验公式只能对其最大碰撞力进行预测,无法全面预测船-桥结构的损伤特性,而有限单元法可有效地对这一不足进行补充。通过LS-DYNA软件研究考虑桩土作用和流固耦合效应的船桥碰撞损伤特性,通过数值仿真与试验结果、AASHTO规范公式的对比分别验证钢筋混凝土材料模型的准确性以及桩-水-土耦合方法的有效性;分析典型碰撞场景下船舶和桥墩桩基结构的碰撞损伤特性;讨论船速和船撞角度等因素对船桥碰撞损伤的影响。结果表明:典型船桥碰撞场景下船舶和桥墩结构的损伤均较为严重;船撞速度、角度越大,碰撞力峰值也越大;桩土作用和流固耦合效应均不可忽略。该结果可为船舶和桥墩结构设计提供一定参考。

关键词：船-桥碰撞流固耦合桩土作用损伤特性

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基于LS-DYNA的船-桥墩碰撞分析

工程建设与设计 2024年第11期 83-85页

作者：王志强陈忠宇浙江交投交通建设管理有限公司杭州310000 中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034 桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034

基于ANSYS/LS-DYNA及Hypermesh建立了船舶-桥墩碰撞有限元模型,着重针对一典型工况对桥墩遭受撞击作用后的动力响应进行分析并确定其失效模式。然后通过模拟一系列的船舶撞击桥墩的工况为船撞力简化计算公式的拟合提供大量的数据样本并... 详细信息

基于ANSYS/LS-DYNA及Hypermesh建立了船舶-桥墩碰撞有限元模型,着重针对一典型工况对桥墩遭受撞击作用后的动力响应进行分析并确定其失效模式。然后通过模拟一系列的船舶撞击桥墩的工况为船撞力简化计算公式的拟合提供大量的数据样本并对得到的数据进行统计分析拟合出船撞力的简化计算公式,并与国内外相关规范的规定进行对比分析,相关结果表明,我国规范中规定的船舶撞击力相对偏小。

关键词：船-桥碰撞预应力混凝土连续梁船撞力

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水-船-桥梁碰撞相互作用分析研究

水-船-桥梁碰撞相互作用分析研究

作者：叶旭东湖南大学

学位级别：硕士

随着我国公路桥梁建设和水路交通业的迅猛发展,桥梁船撞风险与日俱增,国内碰撞事故愈发频繁。桥梁船撞研究经过了近40年的发展,已经提出了多种实用的分析方法。然而,美国AASHTO规范指出桥梁船撞设计仍处于初级阶段,需要深入研究船-桥碰... 详细信息

随着我国公路桥梁建设和水路交通业的迅猛发展,桥梁船撞风险与日俱增,国内碰撞事故愈发频繁。桥梁船撞研究经过了近40年的发展,已经提出了多种实用的分析方法。然而,美国AASHTO规范指出桥梁船撞设计仍处于初级阶段,需要深入研究船-桥碰撞问题。一方面,目前主要采用附加质量方法考虑船-桥碰撞过程中的水流作用。然而,迄今为止还没有任何研究对这种方法的适用性进行检验,特别是对于船舶斜撞和水流驱动问题,该方法可能会低估冲击引起的桥梁结构响应,因此,需要建立高精度的流固耦合模型,用于分析水动力效应对船-桥碰撞的影响。另一方面,具有显式流体单元的流固耦合方法存在建模难度大和计算资源需求高等问题,针对考虑水动力效应的船-桥碰撞,有必要建立快速合理的简化分析方法。本文以内河航道的典型桥梁和船舶为对象,深入系统地分析了不同参数对船-桥碰撞过程中水动力效应的影响,模拟了船舶在静止和流动水域中的运动,提出并验证了相应的简化模型,主要内容及结论有:(1)基于LS-DYNA程序中的任意拉朗格日-欧拉求解器,建立了精细化的流固耦合模型,其建模方法由势流求解器WADAM检验和验证,结果表明:流固耦合模型预测的水动力效应与WADAM结果一致。基于已验证的流固耦合模型,模拟了不同船-桥碰撞场景,评估了几个关键参数(例如,碰撞角度、碰撞位置、吃水深度和碰撞速度)对水动力效应的影响。研究发现:斜撞场景下流固耦合模拟得到的船-桥碰撞过程与附加质量方法存在差异,附加质量方法不适用于斜撞,因其无法正确地捕捉水动力效应。对比规范公式法和有限元模拟结果,发现当前的设计规范低估了斜撞时的撞击力和碰撞能量。为了合理地估计斜撞中船舶或桥梁吸收的能量,改进了一套解析公式。通过与流固耦合模拟结果对比,表明:改进公式能够合理地估计碰撞能量。(2)流固耦合模拟费时且需要大量的计算资源,为此,建立了一种简化分析方法,用于考虑船-桥碰撞时的水动力效应。给出了船舶操纵力学的表达式,采用多个矩阵来代替流固耦合模型中船舶受到的水作用力,采用附加质量方法来考虑被撞桥墩的水动力效应。通过对比不同模拟方法的计算结果,发现:简化方法相比附加质量方法可以更好地考虑船-桥碰撞过程中的水动力效应,并且较流固耦合方法能够显著节省计算成本。从计算效率和精度的角度出发,简化方法比流固耦合方法和附加质量方法更适用于工程实践中的船-桥碰撞分析和设计。(3)基于LS-DYNA程序中的结构化任意拉朗格日-欧拉求解器,探讨了模拟水流驱动作用的关键技术。建立了考虑水流驱动作用的船-桥碰撞模型,评估了几个关键参数(例如,碰撞方式、桥梁形式和碰撞速度)对碰撞结果的影响。研究发现:正撞和侧撞情形中,考虑水流驱动作用可以得到更保守的撞击力和墩顶位移预测,忽略水流驱动作用会低估桥墩损伤。相比正撞和斜撞,侧撞能产生更大的撞击力和墩顶位移响应峰值,并且会提前发生落梁,不利于桥梁安全性能。(4)为了节省计算资源,采用LS-DYNA程序中的用户自定义加载子程序,建立了一种二次开发简化方法,用于考虑船-桥碰撞过程中船舶受到的水流驱动作用。通过对比简化方法和流固耦合方法模拟得到的船舶速度时程曲线,验证了二次开发简化方法的可行性。采用简化方法模拟了不同碰撞情形,研究发现:简化方法预测的墩顶位移响应与流固耦合方法接近,能够提供比无水模型更保守的估计。简化模型的计算成本同无水模型一致,但显著低于流固耦合模型。考虑到计算效率和精度,简化方法适用于快速估计船撞作用下的桥梁结构响应。

关键词：船-桥碰撞流固耦合简化方法水流驱动二次开发

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内河船—桥主动避碰系统研究与实现

内河船—桥主动避碰系统研究与实现

作者：聂立强武汉理工大学

学位级别：硕士

水运货物因运输量大、运输成本低的优势,一直是大宗货物运输的主要形式。随着我国经济的快速发展,内河桥梁建设数量增加,内河货运的运输量需求也不断增加,因此船舶体积和数量不断上升,最终导致船-桥相撞的事故风险逐步增加。长期以来,对... 详细信息

水运货物因运输量大、运输成本低的优势,一直是大宗货物运输的主要形式。随着我国经济的快速发展,内河桥梁建设数量增加,内河货运的运输量需求也不断增加,因此船舶体积和数量不断上升,最终导致船-桥相撞的事故风险逐步增加。长期以来,对船-桥避碰多采用船端预判加控制的方法开展研究,其仅限于本船视野范围的船-桥风险识别,而对于船-桥水域全局环境的及时识别与风险预判的研究不足,且现有船-桥碰撞风险算法精度有待提升。为此,本文从桥端视野出发,对桥区水域全局安全风险识别方法进行系统性研究,以提升船-桥避碰的全面性和主动性预判水平,并设计内河船-桥主动避碰系统,实现对风险船舶的主动避碰预警。本文的主要研究工作如下:(1)基于循环神经网络的船舶航迹预测模型研究。采用桥区历史船舶AIS(Automatic Identification System,AIS)数据解析提取关键信息建立AIS数据集,构建不同结构的循环神经网络模型,对桥区水域直线航段和弯曲航段的船舶航迹进行预测,对比分析预测精度和预测效果,选择预测效果最佳的船舶航迹预测模型,并用实际数据进行验证。(2)考虑不确定航行环境因素的船-桥碰撞危险度算法研究。从桥端和船端两方面分别构建考虑不确定性航行环境因素的船舶和桥墩领域参数,并建立桥墩安全领域模型和桥区水域船舶领域模型,以KUNZI模型对船-桥碰撞事故发生的评判机理为基础,结合以上参数和模型构建船-桥碰撞危险度模型,通过实际数据验证该模型的有效性。(3)内河船-桥主动避碰系统设计与实现。系统采用航迹预测模型对桥区水域船舶航迹进行预测,以预测点为基础,利用船-桥碰撞风险度算法计算船-桥碰撞的风险等级,系统后台分级自动控制硬件电路对船舶进行主动防撞预警,提醒具有碰撞风险的船舶主动采取避碰措施,并对内河船-桥主动避碰系统进行实际数据测试,验证其稳定性与可靠性。

关键词：航迹预测船-桥碰撞航行环境主动避碰预警