船-橋碰撞機(jī)理及防撞預(yù)控模型研究

大量跨江跨海等跨越通航水域橋梁的建設(shè)，在構(gòu)建立體交通、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)水上交通運(yùn)輸造成了不利影響，隨著船舶尺度和通航密度的增大，船－橋碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)逐步提升，橋梁及橋區(qū)通航安全問(wèn)題亟待解決。本課題應(yīng)用現(xiàn)代船舶操縱理論和船舶水動(dòng)力干擾理論，對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件影響下的多船間水動(dòng)力干擾開(kāi)展建模研究，通過(guò)在控制力、船-船干擾力、船-橋干擾力和風(fēng)、流等環(huán)境力作用下的船舶運(yùn)動(dòng)建模，研究船舶在受控和欠控運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的船-橋碰撞機(jī)理，并對(duì)船舶失控撞擊橋梁的危險(xiǎn)水域進(jìn)行辨識(shí)及預(yù)警，建立基于智能預(yù)測(cè)控制方法的橋梁防船撞預(yù)控模型，形成船-橋防撞預(yù)控機(jī)制。 在受控、欠控橋梁船撞機(jī)理研究方面，建立了干擾水動(dòng)力計(jì)算模型，分別對(duì)對(duì)遇、追越情況下的船間干擾力進(jìn)行了研究，得出了船間干擾力的作用范圍及變化規(guī)律。對(duì)遇和追越情況下，船間干擾力和轉(zhuǎn)船力矩均在兩船縱距約為1.5倍船長(zhǎng)左右開(kāi)始作用，船間干擾力和船間干擾轉(zhuǎn)船力矩都隨兩船橫距的減小而增大，兩船橫距變化對(duì)對(duì)遇和追越情況下的船間干擾力和轉(zhuǎn)船力矩開(kāi)始作用的起點(diǎn)影響較小。 在船舶受控、欠控過(guò)橋運(yùn)動(dòng)航跡控制方面，建立了船舶受控、欠控運(yùn)動(dòng)模型；開(kāi)發(fā)了模糊PID控制算法；根據(jù)仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終得到船舶安全通過(guò)連續(xù)彎曲航道的控制策略，并對(duì)不同舵角組合操縱效果進(jìn)行了分析與仿真，確定了特定條件下的船舶最優(yōu)操縱策略。 在船舶失控撞擊橋梁危險(xiǎn)水域分析方面，基于船-橋水動(dòng)力臨界干擾區(qū)的橋墩鄰近橋區(qū)水域邊界界定了橋梁禁入?yún)^(qū)，建議船-橋之間橫向留出不少于1倍船寬的安全間距，作為橋區(qū)水域范圍的橫向邊界；基于船舶應(yīng)急復(fù)航尺度的橋區(qū)水域邊界界定了橋區(qū)水域重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)，并采用交通流反演的橋區(qū)特征水域反演技術(shù)，確定了橋梁不同斷面的橋區(qū)水域范圍縱向尺度；運(yùn)用蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方法，建立了船舶失控狀態(tài)下的船-橋碰撞概率與橋區(qū)水域范圍的關(guān)系模型。界定了計(jì)入船舶失控影響的橋區(qū)水域警戒區(qū)，為海事部門(mén)科學(xué)監(jiān)管，保障橋區(qū)水域船舶通航安全及應(yīng)急搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)，以避免因船舶失控導(dǎo)致船-橋碰撞事故的發(fā)生。 本項(xiàng)目從受控船舶、船舶應(yīng)急操縱和失控船舶三個(gè)層面對(duì)橋區(qū)水域進(jìn)行了界定，并將橋區(qū)水域范圍劃定為三個(gè)區(qū)域，使橋區(qū)水域的界定更加科學(xué)化、定量化，橋區(qū)水域的監(jiān)管也因?yàn)槿齻€(gè)區(qū)域的劃分變得更加具有針對(duì)性。研究成果可以豐富交通運(yùn)輸基礎(chǔ)理論，為水路交通安全減災(zāi)技術(shù)探索出一個(gè)全新的領(lǐng)域。 2100433B

大量跨江跨海等跨越通航水域橋梁的建設(shè)，在構(gòu)建立體交通、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)水上交通運(yùn)輸造成了不利影響，隨著船舶尺度和通航密度的增大，船－橋碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)逐步提升，橋梁及橋區(qū)通航安全問(wèn)題亟待解決。本項(xiàng)目擬應(yīng)用現(xiàn)代船舶操縱理論和船舶水動(dòng)力干擾理論，對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件影響下的多船間水動(dòng)力干擾開(kāi)展建模研究，通過(guò)在控制力、船-船干擾力、船-橋干擾力和風(fēng)、流等環(huán)境力作用下的船舶運(yùn)動(dòng)建模，研究船舶在受控和欠控運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的船-橋碰撞機(jī)理，并對(duì)船舶失控撞擊橋梁的危險(xiǎn)水域進(jìn)行辨識(shí)及預(yù)警，建立基于智能預(yù)測(cè)控制方法的橋梁防船撞預(yù)控模型，形成船-橋防撞預(yù)控機(jī)制，提出防止失控船舶撞擊橋梁的應(yīng)急方案。研究成果通過(guò)與ECDIS和IBS的嵌入，可實(shí)現(xiàn)船-橋防撞的預(yù)警和預(yù)控，對(duì)船舶駕引人員的不作為或不當(dāng)作為做出橋梁撞擊預(yù)警或?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)強(qiáng)制避碰。本項(xiàng)目研究成果可以豐富交通運(yùn)輸基礎(chǔ)理論，為水路交通安全減災(zāi)技術(shù)探索出一個(gè)全新的領(lǐng)域

針對(duì)城市高架橋梁在地震作用下的碰撞問(wèn)題，在顯式瞬態(tài)非線性有限元全過(guò)程數(shù)值仿真和分析基礎(chǔ)上，研究高架橋梁碰撞的物理力學(xué)行為和碰撞機(jī)理；研究高架橋梁碰撞簡(jiǎn)化分析方法，發(fā)展三維碰撞接觸單元模型，確定模型參數(shù)的取值方法；研究碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的影響，確定有利和不利碰撞的劃分標(biāo)準(zhǔn)，提出考慮碰撞因素的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)原則；研究高架橋梁碰撞的磁流變半主動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)造、控制算法、驅(qū)動(dòng)策略，發(fā)展橋梁碰撞的智能控制分析理論。通過(guò)上述研究，為高架橋梁地震碰撞分析和振動(dòng)控制提供一套完整的理論方法和實(shí)施技術(shù)。 2100433B

開(kāi)展船車(chē)撞擊下橋梁破壞機(jī)理和抗沖擊性能控制方法的研究：（1）通過(guò)材料沖擊試驗(yàn)、構(gòu)件沖擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究鋼筋混凝土構(gòu)件的沖擊破壞機(jī)理，修正中低應(yīng)變速率范圍內(nèi)的混凝土沖擊本構(gòu)模型和參數(shù)，并建立廣義力-變形關(guān)系和構(gòu)件層面的沖擊破壞描述指標(biāo)和參數(shù)；（2）研究等代船車(chē)模型；建立簡(jiǎn)化時(shí)間荷載函數(shù)模型、簡(jiǎn)化撞擊力-撞深關(guān)系模型，及其參數(shù)確定方法；研究船車(chē)-橋-防撞裝置-土壤-水耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和數(shù)值分析方法，開(kāi)發(fā)分析軟件；（3）通過(guò)構(gòu)件和模型橋梁的沖擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究該耦合系統(tǒng)在船車(chē)撞擊作用下的破壞、倒塌過(guò)程及其主要影響因素；（4）建立橋梁、防撞裝置及其耦合系統(tǒng)撞擊破壞性能等級(jí)的定量劃分方法、確定關(guān)鍵參數(shù)；從橋梁體系、構(gòu)型與尺度、防撞裝置等方面，研究橋梁在船車(chē)撞擊作用下結(jié)構(gòu)體系性能控制方法；（5）提出橋梁抗船車(chē)撞擊性能控制與設(shè)計(jì)的技術(shù)條文，并應(yīng)用于2-3座橋梁的抗撞擊設(shè)計(jì)。