论文部分内容阅读
目前,桥墩防撞设施由弹塑性材料的钢浮箱结构发展到黏弹性材料的柔性防撞设施,船桥碰撞理论也由最初的静力等效分析发展到以应力波传播与相互耦合为基础的冲击动力学分析。有限元数值分析计算也在船桥碰撞中得到广泛应用。本文依托黄花园嘉陵江大桥FRP桥墩防撞浮箱工程。采用显式动力有限元分析软件LS-DYNA对3号桥墩船桥碰撞过程进行了精细化数值分析。本文的核心工作包括有限元数值模拟的精细化和船桥碰撞过程的精细化分析。有限元数值模拟的精细化主要为几何网格、上部结构对桥墩约束、碰撞接触、沙漏控制、质量缩放等方面的参数控制,同时以双向流固耦合效应模拟浮箱内外流体的作用,并结合嘉陵江2m/s无偏航动水影响。碰撞过程的精细化则详细分析了碰撞过程中的能量变化(桥墩吸收的能量与浮箱的耗能)、受力变化(船头、浮箱、桥墩的应力情况以及桥墩承受的撞击力)、变形(船头、浮箱撞深以及墩顶位移)、速度变化以及船舶、浮箱碰撞过程中的受损情况。本文通过近半年计算分析工作得到以下结论:(1)能量方面,桥墩吸收的能量有浮箱保护的工况中大幅降低,降低比例超过87%,静水工况中降低最大为94.56%。浮箱耗能占船舶初始动能9MJ的74.0%-85.1%,以浮箱的变形内能为主,体现了FRP桥墩防撞浮箱具有优秀的耗能特性。(2)应力方面,无浮箱工况桥墩截面最大拉应力分别为21.13MPa、19.96MPa、24.07MPa,有浮箱保护的工况则为8.32MPa、5.18MPa、8.16MPa,减小比例为60.62%、74.05%、66.10%。桥墩截面最大压应力为25.12MPa。船头和浮箱均表现出明显的应力集中现象。(3)桥墩撞击力方面,无水、静水、动水裸墩碰撞工况中桥墩承受的撞击力为35.4MN、31.5MN、32.9MN,有浮箱碰撞工况中桥墩承受的撞击力为5.94MN、5.25MN、5.06MN,撞击力减小比例大于83%,小于桥墩实际抗力。(4)变形及位移方面,无浮箱工况下船头撞深均超过0.8m,而有浮箱工况下船头撞深为0.165m至0.289m,撞深减少比例为64.1%-80.2%。墩顶位移减少比例为64.4%-75.3%。(5)船头、浮箱损坏方面,无浮箱碰撞工况中船头损坏的体积比分别为15.09%、16.27%、14.91%,而有浮箱保护工况的船头损坏体积比降低至8.00%、2.13%、1.54%。FRP浮箱整体损坏体积比例较小,最大为11.88%,集中在柱壳1-1、箱壳顶底板、箱壳侧壁板、以及内衬柱壳构件上。(6)速度方面,桥墩的振荡速度在浮箱的保护下大幅减小。(7)静水、动水影响方面,除了动水碰撞工况桥墩吸收的总能量以及桥墩截面正应力小幅度增加外,静水和动水对于船桥碰撞过程中的变形、受力以及船舶、浮箱损坏比例均产生了有利影响。