桥梁工程承台分水尖及钢套箱防撞性能研究.docx

桥梁工程承台分水尖及钢套箱防撞性能研究 第一章 绪 论 1.1 研究的背景及意义 近年来随着经济的快速发展，国家加大对道路、桥梁等基础设施建设的投资力度，大量高投入、高技术的跨江、跨海大桥投入运行据统计，我国主要通航河流上的大型桥梁总计为 474 座作为路上交通的重要组成部分，保障着社会经济快速、健康地发展然而，对于这些桥梁，一个增长着的威胁是船舶的撞击所造成的损伤英国桥梁总工程师 D.W.Smith[1]对 1847-1945 年世界各地发生的 143 座桥梁垮塌事故原因进行统计，见图 1.1由于船舶撞击导致各种类型桥梁坍塌事故占垮塌事故原因的第三位船撞导致桥梁垮塌已是工程界急需解决的问题由于船舶撞击，桥梁垮塌，交通中断，航道受阻，造成了很大的经济损失，日益受到世界各国普遍的关注在 1960 年发生了近 200 年来首次重大的船舶撞毁桥梁事件，国际上关于船撞桥问题的研究从此后开始但初期进展缓慢，直到 1980 年美国阳光大桥被撞塌，才引起了国际工程界的高度重视1983 年，IABSE（InternationalAssociation of Bridge and Structural Engineering）在哥本哈根召开了第一次船撞桥问题的国际研讨会，拉开了船桥碰撞研究的序幕。

在已建立的船撞桥国际数据库中有 151 起事故，主要包括发生在北欧国家、日本、美国、德国、英国、法国、比利时和荷兰的船撞桥事故在 1960-1993 年的 33 年中，因船撞而导致损毁的大型桥梁己达 29 座，其中美国 15 座，死亡人数为 321 人在 20 世纪五六十年代，公路和桥梁在美国得到大力发展，而对于跨越通航水域的桥梁在设计上并没有考虑船撞的影响据统计，在 1970-1974 年间，美国内河上发生了 811 起船撞桥事件[2]，损失达 2300 多万美元而 1980 年的阳光大桥倒塌则是世界上损失最大的船撞桥事故之一事故因万吨级散装货船失控撞击桥梁，造成 35 人丧身，船舶价值 1300 万美元，阳光大桥的价值是 25000 万美元，损失巨大 .......... 1.2 国内外研究现状 对于这些跨江跨海大桥来说，他们的基础大多为钻孔灌注桩，具有很大的竖向承载力，但抵抗水平冲击荷载的能力较弱由于人为及环境等复杂因素的影响，船舶可能撞击桥梁不同位置，当船舶甲板上部结构撞击桥面时，垮塌的桥面可能压沉船舶；当船艏撞击柱式桥墩时，墩柱很容易折断，从而导致桥梁垮塌；当桥梁采用高桩承台时，船舶撞击部位通常会是承台。

在这种偶然荷载作用下，桥梁可能产生过大的塑性变形而垮塌，船舶也可能破损而沉没世界各国根据自身国情制定了一系列规范和规定，各国学者也从不同角度对船撞桥问题进行了研究，主要集中在计算方法、确定最大船撞力和防撞设计等方面船撞桥是船体和桥墩及防撞装置在短时间内能量交换的过程，也是在巨大碰撞载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，碰撞中存在材料非线性、几何非线性、接触非线性和运动非线性等大量的非线性现象，而且船撞桥问题涉及船舶结构力学、碰撞力学、水动力学、岩土力学等多个学科，其本质上属于冲击动力学问题基于以上特点，使得船桥碰撞问题的研究变得非常复杂和困难试验研究方法分为实船碰撞试验以及模型试验研究，直接测量船桥碰撞中碰撞力等参数，是最具有说服力的研究方法，也是船舶碰撞研究中一种重要手段通过船撞桥墩的试验研究，既可以指导理论分析，又能验证理论分析结果的准确性，还可以得出一些半经验半理论公式所需要的参数自 1959 年以来[16]，国外进行了 8 项船撞船、船撞闸门和船撞桥试验，国内进行了 9 项船撞桥墩试验，分析各种因素（如船艏结构、撞击速度、撞击角度等）对船撞力大小的影响，取得了显著的成果然而船撞桥实验研究面临两个困难，一是原型试验费用昂贵且适用性差，二是模型试验采用的小比尺船舶与原形之间的相似关系较难满足。

1970 年，德国学者 Woisin[11]进行了一系列高能船艏模型碰撞试验，如图 1.2、图 1.3 所示，采用的模型相似比为 1：12 和 1：7.5，共进行了 24 次船艏碰撞船舷侧的试验，实验中将船艏模型固定于高处，然后从斜坡的铁轨上滑下发生碰撞实验结果表明最大碰撞力与船艏结构有很大关系 .......... 第二章 承台分水尖防撞性能研究 2.1 承台分水尖的工程应用 船舶撞击桥梁是一个复杂的非线性动力过程，影响因素众多作为桥梁设计者，所关心的除了桥梁周围环境条件，更关心桥梁本身所能抵抗船舶撞击的能力在大量的船撞桥事故中，大都为船艏直接撞击桥墩、承台或者群桩基础，因此桥本身的抗撞性能值得研究而分水尖的应用历史悠久利用分水尖的斜面分力防撞是一个行之有效的方法当船头撞击斜面，撞击力可以分成两个分力，其中垂直于斜面的分力将船头推开，让船舶快速的滑走，减小了船撞力和船舶动能损失我国有数十座古桥均有分水尖，图 2.1、图 2.2 分别为福建泉州洛阳桥和贵州镇远祝圣桥其中洛阳桥建于 960 年前，拥有 44 个分水尖桥墩，为当时桥梁分水尖桥墩的代表本章主要针对承台分水尖，运用有限元方法建立船舶、承台、群桩基础及土体的模型，模拟船舶与承台的碰撞过程。

分析分水尖角度 α、撞击位置 L、船舶吨位 W 和撞击速度 V等因素对碰撞结果的影响，包括船撞力 F、承台总位移 D、船舶总能量损耗率 ζ 以及碰撞时长 T 的影响 .......... 2.2 有限元非线性动力分析方法简介 有限元法在结构力学、固体力学、流体力学、热力学等领域有着广泛的应用，是求解偏微分方程数值解的一个重要方法有限元计算分析的基础为三个基本方程：平衡方程、几何方程以及物理方程联系着荷载、应力、应变和位移之间的关系船桥碰撞过程中，船艏钢结构和承台混凝土结构都将进入塑性阶段，为非线性材料本构关系同时船桥碰撞过程中结构将发生大位移、大变形和大转角，为几何非线性现象另外，船撞桥涉及到面面接触问题，在碰撞过程中，接触面的面积和压力不断变化，属于边界非线性问题结构动力响应的有限元分析解法有两类，第一是直接积分法（又称时域求解法），第二是模态叠加法碰撞问题中所采用的直接积分法分为隐式求解和显示求解两种隐式求解方法需要对整体刚度矩阵进行分解和求逆，计算过程复杂，占用计算内存和时间而显示求解方法中的质量矩阵 M 一般是非耦合的，且不随时间变化，计算时无需进行逆运算。

因此大多数有限元软件处理动力分析问题时均采用显示直接时域解法进行求解 ......... 第三章 钢套箱防撞性能研究.......33 3.1 防撞钢套箱的工程应用......33 3.1.1 苏通大桥 .........33 3.1.2 平潭海峡大桥...............34 3.2 船艏刚度 KS定义....34 3.2.1 计算工况 .........35 3.2.2 计算结果及分析...........35 3.3 钢套箱刚度 KP定义.............37 3.4 相对刚度 KP/KS对承台动力响应影响..........39 3.4.1 计算工况及结果分析....40 3.4.2 冲量 I 关于 Kp/Ks等因素的公式拟合................43 3.5 本章小结....44 第四章 组合防撞装置防撞性能研究........47 4.1 钢套箱和弹簧组合防撞装置的防撞性能 ....48 4.2 钢套箱和分水尖组合防撞装置的防撞性能 .............51 4.3 四种防撞装置的防撞性能对比.......53 4.4 本章小结....56 第五章 港珠澳大桥防撞结构的防撞效果分析.....57 5.1 港珠澳大桥的防撞设计......57 5.2 港珠澳大桥的船桥碰撞数值模拟 ................58 5.3 拟合公式验证.........61 5.4 本章小结....62 第五章 港珠澳大桥防撞结构的防撞效果分析 5.1 港珠澳大桥的防撞设计 港珠澳大桥是我国继青藏铁路、三峡工程、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目。

大桥东连香港、西接珠海、澳门，是集桥、岛、隧为一体的超大型跨海通道整体效果如图 5.1 所示，图 5.2 为设置防撞钢套箱的江海直达航道桥防撞钢套箱的总体设计综合考虑了重力、浮力、船舶碰撞力等载荷套箱材料均采用Q235-B 级钢，由内围壁、外围壁、套箱底板、顶板、箱内加劲和支撑系统组成此外，防撞钢套箱上部挂腿采用橡胶支座，套箱外表面悬挂圆筒型橡胶件，节段连接板之间安装橡胶条采用大量的橡胶以吸收承台碰撞产生的撞击能量，其设计要点如下：1）横桥向船撞力见表 5.1，顺桥向船撞力为横桥向的一半，两个方向的船撞力不同时作用2）承台防撞钢套箱尺寸：总长约 92.28m，平面长度 33.00m，宽度 19.00m，高度 6.0m顺桥向两侧套箱宽度 2.0m，横桥向两侧套箱宽度 2.2m为了施工及安装方便，桥墩承台防撞钢套箱分为10个分段，节段间采用不锈钢高强度螺栓连接壁板厚、横肋板厚均为12mm，水平横隔板厚和竖向横隔板厚均为 10mm3）防撞钢套箱与承台的连接构造：承台防撞套箱顶面高出一级承台表面 1.0m钢套箱顶部设置挂腿，通过板式橡胶支座支撑于承台表面局部凸起的垫石上为抵抗可能出现的上浮力，部分挂腿设置钢支架，通过粗钢筋锚固于连接座内。

4）防撞钢套箱橡胶件连接构造：平板橡胶件采用不锈钢螺栓与防撞钢套箱连接圆筒漂浮型橡胶件采用锚链与防撞套箱连接，锚链破断负荷大于 28 吨为了方便防撞套箱维修检查，每个套箱设置 2 个检修孔，并设置爬梯作为检修通道 /> ......... 结论 针对承台分水尖、防撞钢套箱、防撞钢套箱和分水尖组合防撞装置以及防撞钢套箱和弹簧组合防撞装置的防撞性能，展开数值模拟研究并结合港珠澳大桥主桥墩防撞钢套箱的防撞设计，研究其防撞钢套箱的防撞性能主要结论如下： 1）承台分水尖防撞装置：在碰撞中可以拨开船头，碰撞结束后船舶带走大部分的初始动能，降低了碰撞中的能量交换，碰撞时长 T 大大减少同时也显著降低了最大船撞力 Fmax和最大承台总位移 Dmax，减少桥梁与船的损伤，保护桥梁的同时也有利于船舶的安全综合最大船撞力、最大承台总位移、碰撞时长和碰撞过程中能量交换等因素，当 α 为 75°时，分水尖能充分利用承台顺桥向和横桥向的水平抗力，防撞性能最好就承台位移控制而言，随着撞击速度 V 和船舶吨位 W 的增大，分水尖的防撞性能变得更好同时，在分析最大船撞力 Fmax随分水尖角度 α、船舶吨位 W 等因素变化规律的基础上，提出了最大船撞力的计算公式。

2）钢套箱防撞装置：其防撞性能与相对刚度 Kp/Ks有很大关系最大船撞力 Fmax、最大承台总位移 Dmax随相对刚度的增大而先减小后增大当相对刚度大于 60 左右时，最大船撞力、最大承台总位移基本保持不变当相对刚度 Kp/Ks在 20~40 之间时，防撞钢套箱具有较好的防撞效果而碰撞全过程的冲量 I 随相对刚度 Kp/Ks的变化关系近似为指数形式冲量 I 随着相对刚度的增大而逐渐增大，当相对刚度大于 60 左右时，冲量基本不变在此基础上提出了冲量的计算公式 3）组合防撞装置与分水尖、钢套箱等四种防撞装置性能比较：在相同船撞条。