滚石与桥墩碰撞的数值仿真分析及防撞研究

论文摘要

山区桥梁因为地处地质条件恶劣的山区,时常受到各种地质灾害的影响,特别是滚石撞击对桥梁的安全构成了严重威胁。近年来已发生多次由于滚石撞击造成的重大桥梁损伤事故,桥墩防滚石撞击问题也引起了人们的重视。为了提高桥梁的抗滚石撞击的能力,确保山区桥梁在运营期间的安全性,本文以某山区桥梁空心薄壁墩作为研究对象,仿真分析了滚石与桥墩碰撞的动态过程以及影响撞击力大小的几个主要因素。提出了一种针对桥墩防滚石撞击的防撞装置,且分析了该防撞装置的防撞性能。本文通过采用ANSYS/LS-DYNA分别仿真分析了滚石与桥墩碰撞的过程和滚石与带防撞装置的桥墩碰撞的过程。全文的主要研究工作如下:1)分析数值仿真在桥梁碰撞问题中的应用,并列举了几种仿真分析中常用的混凝土本构模型,最后对混凝土本构模型进行了比较分析。2)建立滚石和桥墩的有限元模型,仿真分析滚石与桥墩碰撞的动态过程,获得了桥墩在碰撞中的动力响应,撞击力的时程曲线,桥墩应力时程曲线、桥墩应力云图。3)分析影响撞击力的主要因素,研究它们与撞击力之间的关系。为桥梁防滚石撞击的初步设计提供参考。4)总结现有桥墩防船舶撞击的防撞装置,并分别分析它们的优缺点及适用场合,最后提出一种安全、耐用、经济的桥墩防滚石撞击的防撞装置。5)建立滚石、桥墩和防撞装置的有限元模型,仿真分析滚石与防撞装置碰撞的动态过程,获得碰撞过程中防撞装置吸收能量的时程曲线,滚石动能时程曲线及防撞装置的损伤与变形图。最后论证所提出的防撞装置的有效性。6)通过改变防撞装置的结构构造尺寸,研究尺寸的变化对防撞性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 碰撞计算的有限元方法
• 2.1 LS-DYNA 程序简介及分析功能特点
• 2.2 非线性有限元控制方程
• 2.3 显式中心差分算法
• 2.4 接触碰撞分析概述
• 2.4.1 接触碰撞的基本算法
• 2.4.2 接触碰撞的数值计算方法
• 2.4.3 接触碰撞算法的有限元实现
• 2.4.4 接触界面定义及控制
• 2.5 计算中沙漏的控制
• 2.6 计算中应注意的问题
• 2.6.1 材料应变率敏感性
• 2.6.2 网格划分
• 2.7 本章小结
• 第三章 冲击荷载作用下混凝土本构关系研究
• 3.1 混凝土动态力学模型研究概况
• 3.2 几种混凝土本构模型的比较分析
• 3.2.1 HJC 混凝土模型
• 3.2.2 混凝土损伤本构模型
• 3.2.3 TCK 模型
• 3.2.4 动力硬化帽盖模型
• 3.2.5 几种本构模型的比较
• 3.3 本章小结
• 第四章 滚石与桥墩碰撞的数值仿真
• 4.1 工程背景
• 4.2 有限元模型
• 4.3 桥墩动力响应过程及计算结果分析
• 4.3.1 撞击过程中桥墩的动力响应
• 4.3.2 撞击力随撞击质量、撞击速度的变化
• 4.3.3 滚石对桥墩撞击力的研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 桥墩防撞装置的研究与应用
• 5.1 防撞保护系统的分类
• 5.2 防撞保护系统介绍
• 5.2.1 护舷方式
• 5.2.2 绳索方式
• 5.2.3 混凝土结构
• 5.2.4 钢套箱
• 5.2.5 重力摆式
• 5.2.6 薄壳筑砂围堰式
• 5.2.7 胶囊沙袋防护系统
• 5.2.8 人工岛防护系统
• 5.2.9 集群式护墩桩
• 5.2.10 钢套箱-细砂组合防撞装置
• 5.3 有限元模型
• 5.3.1 细砂材料模型
• 5.3.2 细砂材料参数取值以及防撞装置边界条件
• 5.4 桥墩与防撞装置动态响应及计算结果分析
• 5.4.1 应力云图
• 5.4.2 撞击力时程曲线
• 5.4.3 碰撞过程中的能量转化
• 5.4.4 防撞结构的变形与损伤
• 5.5 细砂厚度对防撞性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 研究成果与展望
• 6.1 取得的主要研究工作及研究成果
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果