船舶撞击下高桩连续梁桥倒塌机理与控制措施研究

Based on the original Jiujiang Bridge which was collapsed by ship collision, the guide of this project is to meet anti-vessel-collision design requirements of continuous beam bridges which cross fairways. The specific research works are as follows: (1) use model test and numerical simulation method to study failure modes and failure mechanisms of group pile foundation-cap-column pier structure collided by vessels, and combine them with the numerical simulation analysis results which ship collides with typical group pile foundation-continuous beam bridges, to study progressive collapse mechanisms and main influential factors, then establish performance indexes and parameter values of damage degree; (2) according to the sample statistics of the vessel-bridge collision process, establish probability dynamic model for impact force-penertration relationship considered angle、geometric scale and other important factors, parameters and method to artificially generate samples; (3) based on the research results above, develop dynamic analysis theories and methods of group pile foundation-continuous beam bridges collided by vessels,which is coded for quantitative analysis and prediction of failure modes and damage degree; (4) put forward structural measures to avoid damages and collapse of this kind of bridges under collisions of vessels.

以因船撞倒塌的325国道原九江大桥为背景，以满足我国跨航道连续梁抗船撞设计需求为导向开展研究工作：（1）采用模型冲击试验、碰撞数值模拟方法，研究揭示高桩基础-承台-柱式桥墩结构体系在船舶冲击下的破坏模式和破坏模式的机理，并结合对典型高桩连续梁桥进行的系统的精细化船撞数值模拟分析的结果，研究其连续倒塌的机理与主要影响因素，建立描述高桩连续梁在船舶撞击作用下破坏程度的性能指标和参数取值；（2）根据船舶撞击过程的样本统计，建立可以考虑角度、几何尺度等重要因素的船舶撞击桥梁的概率动力作用模型、参数、及作用样本的人工生成方法；（3）在桩、墩柱的构件破坏机理和破坏性能指标研究结果的基础上，发展高桩连续梁桥在船撞冲击作用下动力分析的理论与方法，实现其破坏模式和破坏程度的定量分析和预测；（4）研究提出避免该类桥梁局部船舶冲击破坏的构造措施及避免连续倒塌的结构措施。

自20世纪60年代以来，世界各地航道桥梁受船舶撞击的事件屡有发生，事故往往造成桥梁破坏甚至倒塌，造成航道中断、环境污染等灾害后果，桥梁在船舶撞击下的安全问题已成为全球的研究热点。在本项目资助下，开展了以下研究内容：.1）以国道325广东九江大桥船撞倒塌事故为例，基于数值仿真研究了船撞作用下高桩基础连续梁桥的破坏模式与倒塌机理；2）建立了高桩连续梁桥在船舶冲击下破坏状态的实用预测方法，包括修正半波正弦撞击力时程概率模型与确定性模型、撞击力-撞深关系概率模型与确定性模型以及冲击谱方法，并给出了撞击力时程与撞击力-撞深关系样本的生成方法；算例分析表明本项目建立的实用预测分析方法具有较好的精度；3）研究了桥墩船撞性能指标的形式，完成了构件损伤程度的等级划分，并对在船舶撞击下结构性能的影响参数进行了灵敏度分析；通过钢筋混凝土柱的水平冲击试验校验了混凝土本构模型，通过数值仿真，研究了钢筋混凝土柱在不同冲击物质量、不同冲击速度下的性能，以转角为性能描述指标，采用转角速率对构件静力性能进行动力修正，建立了纤细混凝土构件性能指标模型，确定了模型参数；4）在桥梁防撞控制措施方面，采用数值仿真方法，分析了现有典型的桥梁防撞装置，全面讨论和评价了装置的拨转、耗能等削减撞击力的机制，澄清了现有一些不合理的认识；在上述工作的基础上，研发了预压缓冲消能防撞装置，采用数值仿真方法，对预压缓冲消能防撞装置的性能进行了评估；通过对预压缓冲消能防撞装置的组合圆形断面进行概念抽象，进一步提出了钢板-橡胶圈防撞装置，并建立了圆形断面的一般化设计方法，给出了详细的设计流程。