通航河流武鸣河大桥新材料防撞结构设计与计算开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1目的及意义

近年来随着公路铁路建设,跨内河航道桥梁的数量不断增长。数据表明,截止2016年底,跨长江航道的大型桥梁已达200余座,在未来十年,国家又规划了五十二座跨长江大桥。与此同时,为满足内河港口日益庞大的运力需求,内河航道的交通流量也在不断增大。相对狭窄的内河航道加之新建跨航道公路铁路桥梁对通航空间的进一步压缩,不可避免地增人了内河船舶与桥梁墩柱碰撞事故发生的概率。跨内河航道桥梁不仅是内陆地区公路铁路的重要环节,更是内陆经济持续发展、社会持续稳定的重要保证,所以船桥碰撞所造成的跨内河航道桥梁的损毁甚至坍塌,不仅会导致不可估量的经济损失,同时也会对附近群众的生命安全造成巨大威胁,从而产生恶劣的社会影响。内河船舶与桥梁碰撞事故,不但关系到桥梁结构的安全,影响着通航船只与桥面车辆的正常行驶,更会对过往人员的生命安全造成巨大威胁。虽然目前对桥梁结构的设计与建造可以满足通航空问的需求,但内河航道的各种不确定因素(如汛期水位上升、洪峰湍流、江面雾团等)使跨内河航道桥梁时刻受到船舶碰撞的威胁。我国现行规范巾有关船桥碰撞方面的内容尚不完善,难以满足国内桥梁设计、建造与运营维护等领域发展的需求。尤其是跨内河航道,小型桥梁与船舶斜向碰撞过程的研究,更是有待完善与提高。此外,若每座桥梁均按照可抵御最大船舶碰撞力的标准进行设计与建造,则整体建造成本会大涨导致工程难以实施,从而违背桥梁设计的经济原则。科学合理的桥梁防撞装置恰好可以解决这一问题。综上所述,开展内河船舶与桥梁斜向碰撞机理分析、碰撞过程复杂动力响应计算以及防撞装置结构设计的研究对提高桥梁整体抗碰撞性能具有重要的工程价值。
 
1.2国内外研究现状分析
 
 
   
 
据不完全统计,我国主要内河航道上的船桥碰撞事故已超过300起,尤其近年来,内河航道上船桥碰撞事故数量持续上升。据资料统计显示,2007年,广东省九江大桥的非通航孔被运沙船碰撞导致桥面垮塌,造成9人遇难;同年8月,江苏省昆山市大洋桥遭受货运船只碰撞导致一整跨桥面坍塌,造成2人失踪,1人受伤;2010年,上海市大治河随塘桥遭400吨级集装箱货船碰撞导致3跨桥体垮塌,造成2人遇难;2011年,江苏省华沙大桥遭受散货船只碰撞,桥墩开裂,货船倾覆;2012年,湖南省平江县石拱桥遭采砂船碰撞桥墩导致桥体严重受损并于次日发生垮塌,该事故造成2人遇难,4人失踪;2014年,上海市斜塘大桥遭船舶碰撞后桥墩开裂并导致桥面倾斜;2015年4月,广东省佛山市西安亭大桥遭运沙船碰撞,导致梁板底部开裂并脱落;同年10月,广东省肇庆市西江铁路大桥遭采砂船碰撞,造成桥身底部钢梁错位,58趟列车的运行中断,受影响旅客3590余人。 
国外也时有跨内河航线桥梁遭受船舶碰撞事故发生,如1980年美国佛罗里达州阳光高速路大桥船撞垮塌事故,导致35人遇难;1983年俄罗斯伏尔加河上一座桥梁遭船只碰撞而倒塌造成176人遇难;2002年美国俄克拉荷马州阿肯色河40号公路大桥遭受偏航船只碰撞,导致北侧108米长桥面垮塌并连带多辆汽车落入水中,该事故造成14人遇难。
船桥碰撞问题的研究始于二十世纪中叶,早期研究的船桥碰撞问题是由核动力船只的反应堆碰撞研究扩展而来。1959年,米诺斯基教授以大量船与船碰撞的事故数据为分析对象,提出了日后被广泛接受的能量-损伤关系理论,为船桥碰撞研究奠定了基础。1979年,沃辛基于等比例模型碰撞试验对米诺斯基的理论进行了改进,分析了碰撞过程中水体对船舶的影响,并提出了碰撞深度与碰撞力的线性关系公式。 桥梁工程领域于上世纪70代末开始对船桥碰撞问题展开系统研究,并且逐步取得有价值的理论成果。1982年,德鲁彻教授等提出了将桥梁及其防护结构等效为弹性质量系统的理论,并给出了计算船桥碰撞过程中主要结构能量变化的方法。
国内方面,近十年来,专家学者们以新材料、新结构和新工艺为切入点,对桥梁防船撞结构开展了大量深入的研究,不断完善了防船撞结构设计的理论体系与质量标准。2006年,王礼立、张中伟对钢丝绳圈力学模型进行计算,提出了将柔性钢丝绳圈应用于桥梁防船撞结构的设想,并通过LS-DYNA模块程序的仿真建模,证明了柔性钢丝绳圈防船撞结构的优越性主要有:可使碰撞力快速卸载,让船舶尽快远离桥体。2007年,孙振、王君杰等结合实际工程背景,对不同尺寸的钢箱型防船撞结构和漂浮式吸能防船撞结构进行了有限元建模仿真,提出了钢箱型防船撞结构内部锚固螺栓、横隔板与支架结构的优化建议,论证了漂浮式吸能防船撞结构在跨内河航线桥梁上应用的技术合理性,并对其内部不同尺寸的橡胶缓冲垫的性能进行了对比。2009年,尹锡军对槽式、桩群式、围堰式、重力式、空气式、浮体系泊式六种防船撞结构的防船撞原理与碰撞过程进行了分析,利用LS-DYNA非线性有限元模块对不同碰撞位置条件下桥梁防船撞结构的防船撞性能进行了比较研究,讨论了新型储能-释能式桥梁防船撞结构的研发前景。2010年,肖波、王爽等通过数值仿真手段,对附着式防船撞结构的吸能特性进行了研究。通过比较不同桥梁防船撞结构的参数,提出了科学的改进方案以提高此类防船撞结构的性能。2012年,刘继泉等将钢制三角桅架、钢索与阻尼器组装成桥梁防船撞结构,通过现场试验证明了该套结构的可靠性,并论证了粘弹性阻尼系统拦截高速物体碰撞桥梁的有效性。2015年,侯跃鹏对带有夹层的钢制中空结构防船撞结构进行了研究,分析了不同碰撞速度、碰撞角度下此类防船撞结构的动力响应,其研究表明:钢制中空结构防船撞结构遭受正向碰撞的机率非常小,且碰撞角度对此类防船撞结构性能有较大影响。2016年,卞清将环氧乙烯基树脂、标准双酚树脂等不同原料浇筑成玻璃纤维,然后将其制作成桥墩曲面防船撞结构进行碰撞实验,对比不同材料抗碰撞性能的优劣,卞清发现:环氧乙烯基树脂的耐水性、耐候性与力学性能均适合用于制作新型FRP材料防船撞结构。2017年,马希钦、余葵等对桥墩弧形防撞带进行了等比例碰撞试验,研究碰撞过程中船只动能、水体动能与防撞带动能的耗散特性,论证弧形防装带对桥墩结构保护的可靠性。
按冲撞能量吸收方式和设置场所和材料的不同, 各种防撞设施的分类如下: 
(1)按船舶冲撞能量吸收方法分类:
弹性变形型——因弹性变形吸收冲撞能量。 
抗压变形型——因压缩压屈、弯曲破坏等来吸收冲撞能量。 
变位型——利用重力或浮力产生的还原力吸收冲撞能量。
(2)按设置场所分类: 
直接构造——设施与桥墩相连安装。
间接构造——距离桥墩安装。
(3)按建造材料分类:
全钢型
FRP(纤维增强复合材)
组合材料

2. 研究的基本内容与方案

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的主要内容
(1)方案设计 
根据当前国内外在船桥碰撞方面的研究进展,我选择采用组合材料建造浮式防撞结构。

(2)技术设计 
(3)结构计算及验算
根据船桥相关标准和水域条件,选择合适的船型,在ansys中建模仿真分析,然后进行计算及验算。

(4)毕业设计说明书的编写 
在老师指导下完成开题报告后,开始着手准备论文。

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3. 研究计划与安排

3进度安排


1)第1-2周,毕业设计调查,完成开题报告;
2)第3-6周,收集、阅读有关钢边坡加固和防撞保护等相关资料,撰写进展综述;
3)第3-6周,根据设计规范,讨论模型建立、边界条件、载荷大小、载荷的施加等;
4)第7-12周,运用结构有限元通用程序ansys,对保护措施结构进行有限元仿真分析计算;
5)第13-14周,完成设计计算书文字部分撰写;
6)第15-16周,完成完成英文文献资料翻译。

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4. 参考文献(12篇以上)

4.参考文献
1、中华人民共和国交通部部标准(jtg d60-2004) 《公路桥梁设计通用规范》;
2、中华人民共和国交通部部标准(jtjd62-2004) 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》;
3、中华人民共和国交通部部标准(jtg f80/1-2004)《公路工程质量检验评定标准》;
4、 李黎明.ansys有限元分析实用教程.清华大学出版社,2005
5、钢结构设计原理 北京:人民交通出版社,2008
6、船体结构与强度 北京:人民交通出版社,2008
7周刘茜,郑史雄,陈航.撞击速度对船桥碰撞作用的影响[j].四川建筑,2018,38(06):206-208 210.
8张哲,李万达.有限元分析技术的船桥碰撞模拟[j].舰船科学技术,2018,40(18):46-48.
9陈绪黎,尚壮壮,曾颖,李佳桧.桥梁船撞力计算方法研究现状[j].四川建材,2018,44(09):148-150.
10喻钊. frp防护装置在船桥碰撞中的应用研究[d].武汉理工大学,2017.

11 lokukaluge p.perera1c,guedes soares. collision risk detection and quantification in ship navigation with integrated bridge systems. ocean engineering ,volume 109, 15 november 2015, pages 344-354

12 mariahauml;nninen , penttikujala. influences of variables on ship collision probability in a bayesian belief network modelreliability. engineering amp; system safety . volume 102, june 2012, pages 27-40

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