聚氨酯—钢夹层结构在桥墩防撞中的研究

论文摘要

聚氨酯-钢板夹层结构是在两层钢板之间注入聚氨酯核芯,由弹性体芯材与钢板内表层牢固粘接而形成的复合结构。现已在国外用于直升机抗冲击用停机坪、公路护栏防撞、桥面板的更换与桥面板的修复加固等应用中。该复合结构材料良好的抗冲击、抗撞击、耐压、耐久性能在建筑工程领域正在不断被证明。然而,目前这种聚氨酯-钢板夹层复合结构材料在国内桥梁工程行业尚未得到应用,并且无相应的设计规范和准则。另一方面,我国的交通运输行业正飞速发展,跨通航江河以及跨海的大型桥梁日益增多,船舶撞击桥墩的灾害性事故日趋频繁,由此所导致的人员伤亡、财产损失也日趋严重。因此,近年来船桥碰撞机理尤其是各种桥墩防撞装置的研究受到越来越多的重视。在此背景下,本文结合聚氨酯-钢板夹层结构材料性能和桥梁防撞设施研究,充分利用这种新型复合结构材料的良好的抗冲防撞的特点来设计桥梁防撞设施,以有限元计算为基础,开展聚氨酯-钢板夹层结构材料在桥梁防撞中的受力性能研究,进一步揭示聚氨酯-钢板夹层结构材料的一些特点,为聚氨酯-钢板夹层结构技术在国内的应用提供可靠的依据。首先,本文对课题的研究背景进行阐述,对桥梁防撞设施和聚氨酯-钢夹层结构材料的研究和使用现状进行了归纳总结。其次,对船桥碰撞的机理进行了消化吸收,分析讨论了数值仿真计算中的关键技术,重点围绕显式有限元法的基本控制方程、有限元离散方程及摩擦接触控制展开。最后,本文主要围绕防撞套箱模型化处理的相关方法,讨论了船碰过程中碰撞力学机理与能量吸收机制两大问题,在对碰撞计算机仿真模拟的关键技术进行探讨的基础上,通过大型通用有限元软件ANSYS/LS—DYNA对一艘100吨级散货船横桥向正撞广东某大桥桥墩防撞聚氨酯-钢板夹层结构套箱这一碰撞实例进行了仿真计算,分析了碰撞中构件吸能特性与能量耗散规律,比较了结构形式的不同对能量吸收效果的影响,给出了对结构进行优化改进的相关措施。计算分析了不同厚度的聚氨酯-钢夹层结构在碰撞过程中的动力响应,比较了结构刚度的变化对碰撞动能吸收效果的影响。总之,本文提出一种新型的结构防撞设施,将聚氨酯-钢夹层结构引入到桥梁防撞的工程应用研究之中。通过有限元仿真分析,证明了聚氨酯-钢夹层结构具有良好的抗撞击效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外桥梁防撞研究现状
• 1.2.1 国外船撞事故
• 1.2.2 国内近年船撞事故
• 1.2.3 船-桥碰撞问题计算方法概述
• 1.2.4 现行规范中关于桥梁防撞的有关规定
• 1.3 聚氨酯-钢板夹层结构国内外应用现状
• 1.3.1 聚氨酯—钢板夹层结构的抗冲击耐磨损性能的利用
• 1.3.2 聚氨酯-钢板夹层结构技术在新型桥面板中的应用
• 1.3.3 聚氨酯-钢板夹层结构在混凝土板更换中的应用
• 1.3.4 聚氨酯-钢板夹层结构桥面板在钢结构面板修复加固中的应用
• 1.4 本文研究的内容
• 1.5 本文研究的意义
• 第二章 聚氨酯-钢夹层结构的计算理论与材料性能分析
• 2.1 夹层板的受力分析和经典线性理论
• 2.2 聚氨酯材料的性能分析
• 2.2.1 聚氨酯材料的研发及用途
• 2.2.2 聚氨酯材料的性能特点
• 2.3 本文理论研究拟采用的分析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 碰撞分析数值仿真的相关理论与技术实现
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS/LS-DYNA 程序算法基础
• 3.2.1 有限单元法程序控制方程
• 3.2.2 有限单元法仿真分析中的沙漏控制
• 3.2.3 LS-DYNA 显式中心差分算法
• 3.3 LS-DYNA 程序中的单元
• 3.3.1 SHELL163 单元
• 3.3.2 SOLID164 单元
• 3.4 LS-DYNA 程序中的材料类型
• 3.4.1 复合材料破坏模型
• 3.4.2 橡胶模型
• 3.5 显式分析接触算法与摩擦控制
• 3.5.1 接触碰撞界面算法
• 3.5.2 摩擦力的计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 船-夹层浮箱-桥墩的碰撞过程数值仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 阳山大桥桥位通航条件及通航净空尺度
• 4.2.1 船舶吨位及通航尺寸要求
• 4.2.2 通航船舶及船舶航行速度参数
• 4.3 阳山大桥主通航孔3#桥墩防撞装置的选型及构造设计
• 4.3.1 防撞装置的选型
• 4.3.2 防撞装置的构造设计
• 4.3.3 聚氨酯-钢板夹层结构防撞浮箱几何尺寸确定
• 4.3.4 防撞套箱的浮力计算
• 4.4 基本假设
• 4.5 材料参数和单元类型
• 4.5.1 聚氨酯材料的力学性能试验分析
• 4.5.2 钢材材料参数
• 4.5.3 混凝土材料参数
• 4.5.4 橡胶护舷材料
• 4.6 结构简化以及单元网格尺寸控制
• 4.7 接触的定义和摩擦影响
• 4.8 撞仿真过程中对流水影响的处理
• 4.9 荷载和边界条件
• 4.10 有限元模型
• 4.11 计算结果及分析
• 4.11.1 船-浮箱碰撞力结果分析
• 4.11.2 船-浮箱碰撞过程中船舶速度变化分析
• 4.11.3 船-浮箱碰撞应力扩散结果分析
• 4.11.4 船-浮箱碰撞过程中聚氨酯-钢夹层浮箱损伤分析
• 4.11.5 碰撞过程中的能量转换
• 4.11.6 碰撞过程中的船舶撞击深度曲线
• 4.11.7 碰撞过程中的桥墩应力分析
• 4.12 本章小结
• 第五章 夹层浮箱防撞装置参数敏感性分析
• 5.1 引言
• 5.2 聚氨酯-钢夹层结构套箱参数敏感性分析基准模型
• 5.2.1 船-浮箱碰撞力结果分析
• 5.2.2 船-浮箱碰撞过程中船舶速度变化分析
• 5.2.3 碰撞过程中的船舶撞击深度曲线
• 5.3 聚氨酯-钢夹层结构套箱针对速度参数的敏感性分析
• 5.3.1 模型简化及对比关系
• 5.3.2 对比结果分析
• 5.4 聚氨酯-钢夹层结构套箱针对外层钢板厚度参数的敏感性分析
• 5.4.1 模型简化及对比关系
• 5.4.2 对比结果分析
• 5.5 聚氨酯-钢夹层结构套箱针对内层钢板厚度参数的敏感性分析
• 5.5.1 模型简化及对比关系
• 5.5.2 对比结果分析
• 5.6 聚氨酯-钢夹层结构套箱针对聚氨酯层厚度参数的敏感性分析
• 5.6.1 模型简化及对比关系
• 5.6.2 对比结果分析
• 5.7 本章小结
• 结论和展望
• （一） 结论
• （二） 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表