基于冲击动力学的船桥碰撞效应、损伤识别与防护关键技术研究

Ship-bridge collision endangers the structure safety of the bridge and the operation safety of the ship in the navigating zone. Anti-collision design is an important subject in engineering design and construction. However, there still remain problems in the existing analyzing theories and design specifications relating to some important basic issues such as the impact response analysis of the bridge, impact force models and collision avoidance technologies of the piers etc. On the basis of summarizing and analyzing the existing research results, this project will study the problem of anti-collision design using theoretical analysis, numerical simulation and model test. The main topics include: (1) to establish a reasonable theoretical model of the ship-bridge impact force. based on the impact dynamics and fluid-solid coupling vibration theory, to establish the linear and nonlinear vibration equations considering the effect of the pile-soil and the coupling of the flowing water, which can be used to analyze the impact response and movement stability of the pillars under collision; (2) based on the CAE software platform and the object-oriented software development technology, to develop the algorithm and software to simulate the whole process of ship-bridge collision;(3)through the collision test of the pier model, to study the damage identification and assessment theories based on the structure dynamic characteristics;to research and implement the key technology of pier protection with a cascade type of energy consumption. The research results will provide scientific basis for anti-collision analysis and anti-collision design of the bridge, which possess important theoretical significance and engineering application value.

船桥碰撞危及桥梁的结构安全和航区船舶运营安全。桥梁防船撞设计是工程设计建造必须解决的安全课题，现有的分析理论和设计规范在桥梁冲击响应分析、撞击力模型、桥墩防撞技术等重要基础问题的研究还存在不足。本课题在总结分析既有研究成果基础上，通过理论分析、数值模拟和模型试验，主要研究包括：（1）建立合理的船桥撞击力理论模型，考虑桩土效应和动水耦合作用，基于冲击动力学和流固耦合振动理论，建立桥墩线性和非线性振动运动方程，分析撞击力作用下桥墩冲击响应及运动稳定性；（2）基于CAE软件平台和面向对象软件开发技术，开发船桥碰撞全过程模拟的算法和软件；（3）通过桥墩模型撞击试验，开展基于结构动力特性的损伤识别和评估理论研究，梯级式耗能方式的桥墩防护关键技术研究与实现。研究成果可为桥梁抗撞击分析和桥墩防撞设计提供科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

船桥碰撞严重危及桥梁结构和船舶运营安全，同时对桥上行驶的车辆安全性也有较大影响。本项目从冲击动力学、非线性振动力学、流固耦合振动理论和车桥耦合动力学出发，针对复杂条件下船桥碰撞动力学问题和结构安全性开展基础性系统研究，为大型桥梁或特种桥梁的防撞设计提供理论依据。主要内容包括：①混凝土材料在冲击荷载作用下的动态本构关系的实验研究；②船桥正碰和斜碰的动力学模型研究，系统分析影响模型精度和可靠性的主要因素，运用数值模拟研究船桥碰撞力作用下桥墩和全桥结构的复杂动态响应；③基于车桥耦合动力学理论，建立了船舶撞击作用下车桥系统动力分析模型，运用 UM 软件对船舶撞击作用下车桥系统的动力响应进行了分析；④基于桥梁结构动力特性分析和安全性评估，开展桥墩防护材料和结构型式研究与实现。取得的主要成果是：实验研究了冲击荷载作用下混凝土的应变率效应和损伤软化效应，提出了混凝土的损伤型粘弹性动态本构关系的修正方程；采用碰撞力简化时程方法，通过数理统计分析和参数回归，提出具有统计意义的船桥碰撞动力简化载荷模型。采用船桥碰撞反应谱分析方法，给出了不同船舶质量、船舶速度及桥梁结构阻尼比下船桥碰撞的位移动力响应曲线；初次在船舶碰撞问题中考虑了车辆的影响，数值分析表明在船舶撞击荷载作用下，车桥系统的加速度响应及桥梁位移响应显著增加，响应幅值与撞击荷载强度呈正相关，与列车速度关联不大；提出了含有类蜂窝结构吸能盒的附着式可旋转防船撞装置，基于数值分析验证附着式可旋转防船撞护筒方案的可行性与防撞效果。