基于规范化碰撞荷载的桥梁船撞动力响应及倒塌概率研究

The impact load due to vessel collision is one sort of important load effects that should be considered in the bridge planning, design and operation stage. The occurrence uncertainty of collision accident, the dynamic characteristic and structural nonlinearity exhibited in the collision process all will bring great difficulties to quantify the structural capacity against vessel collision. This project intends to perform vessel-bridge collision dynamic analysis by multi-scale modeling technique, and both the local damage and global dynamic responses of bridge under vessel collision will be investigated. Moreover, the structural global elasto-plastic dynamic analysis is implemented and the standardized vessel impact load model will be developed. The influence of vessel impact factors on bridge responses is going to be investigated as well. Lastly, the computational framework of bridge collapse probability under vessel collision is established with the employment of impact dynamic analysis and sampling simulation technique, and the safety assessment of bridge structure under vessel collision risk is achieved. The research results are able to provide theoretical basis for bridge planning, design and operation, and these achievements have significant theoretical value and broad prospect of engineering application.

船舶撞击荷载是跨航道桥梁规划、设计和运营阶段必须考虑的重要作用之一。船桥碰撞事故发生的不确定性、碰撞过程中的动力性和非线性都给合理确定桥梁结构防撞能力带来了巨大的困难。本课题拟基于结构多尺度模拟方法进行船桥碰撞动力分析，明确船撞作用下桥梁局部损伤破坏模式与宏观动力响应规律；发展适用于快速时域动力分析的船舶碰撞规范化荷载，提出基于规范化荷载的桥梁结构宏观弹塑性分析方法，探究碰撞影响因素对桥梁结构响应之间的影响规律；基于桥梁船撞动力分析与抽样模拟，建立桥梁船撞倒塌概率计算方法，实现桥梁船撞安全评估。本项目的研究成果可为桥梁结构的规划、设计及运营防护提供科学依据，具有重要的理论研究价值和广阔的工程应用前景。

桥梁船撞安全风险评估是跨航道桥梁抗撞设计与加固提升的重要基础性工作。本项目围绕船撞作用下桥梁倒塌失效概率问题，发展了适用于桥梁船撞分析的结构多尺度模拟方法，对多碰撞影响因素下的桥梁结构动力响应进行了深入研究，揭示了关键碰撞参数对于结构碰撞响应的影响规律及机理，采用小波变换研究了船撞作用下桥梁结构加速度信号特征；提出了面向船桥碰撞分析的桩土等效线性模型，相较于传统p-y曲线模型，在保证计算精度的前提下提高了计算效率；针对跨航道桥梁中较为常见的双柱式桥墩，深入研究了桥墩在船舶撞击作用下的损伤演化规律，探讨了桩土作用、配筋率对于破坏模式的影响；开展了针对新型钢套箱-群桩组合结构防撞性能的数值模拟研究，证明该类型防撞结构具有较好的防撞吸能和导向能力，在保护桥梁的同时降低船舶碰撞损伤；系统建立了基于规范化荷载模型的桥梁船撞倒塌概率分析框架，实现了桥梁船撞倒塌概率风险的精准识别；提出了基于单位荷载法的桥梁结构船撞抗力计算方法，发展了基于目标失效概率的桥梁船撞设防水准确定方法；自主研发了可以进行落锤冲击试验和原位静力加载的试验装置，对冲击荷载下RC构件承载性能劣化机制及性能提升进行了深入研究。. 在本项目资助下，项目负责人已发表科研论文10篇，其中SCI/EI论文7篇;授权软件著作权5项;申请/授权专利6项;参加国际会议4次，发表会议论文1篇，获2018年世界交通运输大会优秀会议论文;培养或协助培养博士研究生1名，硕士研究生12名;协助邀请美国田纳西大学马中国教授到校开展学术交流1次。项目研究成果已经应用于包括常泰过江通道、重庆菜园坝长江大桥、福建跨闽江乌龙江大桥等国内12座新建及建成跨航道桥梁的船撞风险评估工作，为桥梁结构的防撞设计和防撞加固提供可有力的支撑。