船桥碰撞动力响应研究

论文摘要

深入开展船桥碰撞理论方面的研究,对减少船桥碰撞事故以及引发的严重后果具有重要的理论和现实意义。本文基于碰撞理论和能量泛函变分原理,建立能同时考虑弯曲、剪切、扭转、桩土作用以及上部结构影响的船桥碰撞分析理论和计算方法,主要完成了下列工作:（1）基于碰撞理论和边界等代原理,采用质点弹簧模型模拟船舶偏心碰撞桥墩,即将船舶看作质量点,运用线化法的当量弹簧来考虑船舶载荷与变形之间的关系,建立考虑船舶的接触柔度的碰撞力学模型;（2）基于能量泛函变分原理,建立同时考虑桥墩的弯曲变形、剪切变形、扭转效应的实体式和空心式桥墩的碰撞动力方程,采用积分变换的方法,对碰撞体系的动力方程和边界条件进行积分变换,在频域内求得波动解,然后采用Crump逆变换方法,使用Matlab编程进行数值反演,最后得到时域内的撞击力和各种动态响应;（3）通过与有限元软件ANSYS/LS-DYNA计算结果进行比较,证明本文计算方法的正确性且有较好的计算精度,同时将本文方法与各国规范公式进行比较,分析本文计算方法的适用性和合理性;（4）分析了船舶质量、初始速度、接触柔度、桥墩刚度和扭转刚度与撞击力的关系,通过曲线拟合方法建立了在偏心距的情况下的最大撞击力关于船舶质量、速度、接触柔度、桥墩的弯曲刚度和扭转刚度的简化计算公式;（5）以连续刚构桥为例,通过对连续刚构桥的船舶—桥墩碰撞模型作适当的简化,即用抗推弹簧、抗弯弹簧和抗扭弹簧模拟上部结构对墩顶的作用,以群桩等代模型模拟下部桩土对墩底的作用,构建基于能量泛函变分原理及边界等代的船舶撞击桥梁动力响应计算方法。通过本文的研究,可以建立具有不同边界条件的船舶对桥墩偏心碰撞的计算力学模型,同时可针对实际工程边界等代的约束条件,求得结构的撞击力和各种动态响应,为工程上求解船桥碰撞问题提供一种新的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 船桥碰撞的研究现状
• 1.2.1 能量法
• 1.2.2 有限元仿真法
• 1.2.3 试验法
• 1.2.4 经验公式法
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 桥墩动力方程的建立
• 2.1 概述
• 2.2 桥墩类型
• 2.3 桥墩动力方程的建立
• 2.3.1 桥墩截面位移函数的选取
• 2.3.2 实体桥墩动力方程的建立
• 2.3.3 空心式桥墩动力方程的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 船桥碰撞的桥墩动力方程的求解
• 3.1 概述
• 3.2 实体桥墩动力方程的求解
• 3.2.1 动力方程频域内求解
• 3.2.2 节点平衡条件和位移连续条件
• 3.2.3 撞击条件
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.5 形成整体矩阵求解
• 3.3 空心式桥墩动力方程求解
• 3.3.1 动力方程频域内求解
• 3.3.2 节点平衡条件和位移连续条件
• 3.3.3 撞击条件
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 形成整体矩阵求解
• 3.4 数值反演
• 3.5 本章小结
• 第四章 结果对比
• 4.1 概述
• 4.2 有限元法基本原理
• 4.3 本文方法与有限元法计算结果对比
• 4.4 本文计算结果与各国规范计算结果的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 最大撞击力拟合公式
• 5.1 概述
• 5.2 最大撞击力与各参数的关系
• 5.2.1 撞击力与船舶质量的关系
• 5.2.2 撞击力与撞击速度的关系
• 5.2.3 撞击力与接触柔度的关系
• 5.2.4 撞击力与桥墩抗弯刚度的关系
• 5.2.5 最大撞击力与桥墩抗扭刚度的关系
• 5.3 最大撞击力公式拟合
• 5.3.1 船舶偏心碰撞桥墩时的折减系数η
• 5.3.2 船舶正心碰撞桥墩时的折减系数η1
• 5.3.3 船舶偏心碰撞抗弯刚度无穷大的桥墩时的折减系数η2
• 5.3.4 最大撞击力的公式拟合
• 5.3.5 本文公式与经验公式对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 连续刚构桥船桥碰撞动力响应求解
• 6.1 概述
• 6.2 工程概况
• 6.3 边界等代方法确定约束条件
• 6.3.1 船桥碰撞力学模型
• 6.3.2 桩基础对桥墩的约束
• 6.3.3 上部结构对桥墩的约束
• 6.4 船桥碰撞动力响应求解与结果分析
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢