船舶撞擊下高樁連續(xù)梁橋倒塌機理與控制措施研究

自20世紀(jì)60年代以來，世界各地航道橋梁受船舶撞擊的事件屢有發(fā)生，事故往往造成橋梁破壞甚至倒塌，造成航道中斷、環(huán)境污染等災(zāi)害后果，橋梁在船舶撞擊下的安全問題已成為全球的研究熱點。在本項目資助下，開展了以下研究內(nèi)容： 1）以國道325廣東九江大橋船撞倒塌事故為例，基于數(shù)值仿真研究了船撞作用下高樁基礎(chǔ)連續(xù)梁橋的破壞模式與倒塌機理；2）建立了高樁連續(xù)梁橋在船舶沖擊下破壞狀態(tài)的實用預(yù)測方法，包括修正半波正弦撞擊力時程概率模型與確定性模型、撞擊力-撞深關(guān)系概率模型與確定性模型以及沖擊譜方法，并給出了撞擊力時程與撞擊力-撞深關(guān)系樣本的生成方法；算例分析表明本項目建立的實用預(yù)測分析方法具有較好的精度；3）研究了橋墩船撞性能指標(biāo)的形式，完成了構(gòu)件損傷程度的等級劃分，并對在船舶撞擊下結(jié)構(gòu)性能的影響參數(shù)進行了靈敏度分析；通過鋼筋混凝土柱的水平?jīng)_擊試驗校驗了混凝土本構(gòu)模型，通過數(shù)值仿真，研究了鋼筋混凝土柱在不同沖擊物質(zhì)量、不同沖擊速度下的性能，以轉(zhuǎn)角為性能描述指標(biāo)，采用轉(zhuǎn)角速率對構(gòu)件靜力性能進行動力修正，建立了纖細(xì)混凝土構(gòu)件性能指標(biāo)模型，確定了模型參數(shù)；4）在橋梁防撞控制措施方面，采用數(shù)值仿真方法，分析了現(xiàn)有典型的橋梁防撞裝置，全面討論和評價了裝置的撥轉(zhuǎn)、耗能等削減撞擊力的機制，澄清了現(xiàn)有一些不合理的認(rèn)識；在上述工作的基礎(chǔ)上，研發(fā)了預(yù)壓緩沖消能防撞裝置，采用數(shù)值仿真方法，對預(yù)壓緩沖消能防撞裝置的性能進行了評估；通過對預(yù)壓緩沖消能防撞裝置的組合圓形斷面進行概念抽象，進一步提出了鋼板-橡膠圈防撞裝置，并建立了圓形斷面的一般化設(shè)計方法，給出了詳細(xì)的設(shè)計流程。 2100433B

以因船撞倒塌的325國道原九江大橋為背景，以滿足我國跨航道連續(xù)梁抗船撞設(shè)計需求為導(dǎo)向開展研究工作：（1）采用模型沖擊試驗、碰撞數(shù)值模擬方法，研究揭示高樁基礎(chǔ)-承臺-柱式橋墩結(jié)構(gòu)體系在船舶沖擊下的破壞模式和破壞模式的機理，并結(jié)合對典型高樁連續(xù)梁橋進行的系統(tǒng)的精細(xì)化船撞數(shù)值模擬分析的結(jié)果，研究其連續(xù)倒塌的機理與主要影響因素，建立描述高樁連續(xù)梁在船舶撞擊作用下破壞程度的性能指標(biāo)和參數(shù)取值；（2）根據(jù)船舶撞擊過程的樣本統(tǒng)計，建立可以考慮角度、幾何尺度等重要因素的船舶撞擊橋梁的概率動力作用模型、參數(shù)、及作用樣本的人工生成方法；（3）在樁、墩柱的構(gòu)件破壞機理和破壞性能指標(biāo)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，發(fā)展高樁連續(xù)梁橋在船撞沖擊作用下動力分析的理論與方法，實現(xiàn)其破壞模式和破壞程度的定量分析和預(yù)測；（4）研究提出避免該類橋梁局部船舶沖擊破壞的構(gòu)造措施及避免連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)措施。

船舶撞擊力 ship impact force ：建筑學(xué)術(shù)語，指船舶靠巖時的動能，對靠船碼頭所產(chǎn)生的撞擊作用。

船舶撞擊力的確定是防撞設(shè)計的首要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ),船舶撞擊力選取是否恰當(dāng),直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和防撞方案的經(jīng)濟性。由于船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞過程十分復(fù)雜,與碰撞時的環(huán)境(風(fēng)浪、氣候、水流等)、船舶特性(船舶類型、尺寸、行進速度、裝載情況及船首、船殼的強度與剛度等)、橋梁結(jié)構(gòu)(構(gòu)件尺寸、形狀、材料、質(zhì)量和抗力特性等)及駕駛員的反應(yīng)時間等因素有關(guān),要確定船舶對橋梁的撞擊力非常困難。 2100433B

偶然事件造成的撞擊加載通常會造成充壓管道失效，從而引起災(zāi)難性后果。管道抗撞技術(shù)的進一步發(fā)展迫切需要對其可能承受的復(fù)雜撞擊工況以及具有普遍代表意義的響應(yīng)模式進行深入研究。本項目擬采用系統(tǒng)試驗、數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)手段針對充壓管道低速撞擊行為開展研究。首先，針對撞擊角度、位置發(fā)生改變的工況進行系統(tǒng)試驗，通過解析管道變形、內(nèi)壓等變量的瞬態(tài)發(fā)展過程，探明撞擊參數(shù)與響應(yīng)模式之間的連接關(guān)系和相互作用機理。然后，基于試驗數(shù)據(jù)和有限元參數(shù)分析，總結(jié)、歸納管道在撞擊過程中內(nèi)力、變形、能量等參數(shù)的分布特征和演變規(guī)律，揭示對應(yīng)不同撞擊工況的管道響應(yīng)模式和失效機理。最后，針對高壓管道整體變形特點，基于大變形動力學(xué)控制方程，發(fā)展考慮液固耦合效應(yīng)并適用于管道分析的簡化梁模型計算方法。本項目的研究成果將為全面、清晰的認(rèn)識充壓管道撞擊行為提供試驗和理論依據(jù)，同時也將為建立高效的管道安全性設(shè)計、評價理論提供新思路。