龙江大桥新型防撞材料和防撞形式研究毕业论文

2020-02-18 12:02

摘要

随着水上航运业发展，通航安全事故时有发生，通航安全措施的研究迫在眉睫，船撞桥事故不但威胁船舶通行的安全，严重影响桥梁的安全运营，还常常带来巨大的生命财产损失，因此在桥梁设计时必须仔细考虑防撞策略撞击事件中，因此，无论从安全上，经济上，环保上，伦理问题上，船桥碰撞及桥墩防护措施的改进和研究都具有非常大的现实意义。本文将拟进行龙江大桥新型防撞材料和防撞形式研究，同时对水中结构物的设计和安全保护措施进行有限元结构计算，达到优化保护措施结构设计的目的

关键词：防撞结构；船桥碰撞；保护措施

ABSTRACT

With the development of water industry, navigation safety accidents have occurred, the navigation safety research is imminent, boat bridge accidents not only threaten the safety of the ship passage, seriously affect the safe operation of Bridges, also often bring huge life and property losses, so in bridge design must be carefully considered when collision avoidance strategy impact event, therefore, no matter from the security, economic, environmental and ethical issues, ship bridge collision and bridge pier protective measures of improvement and the research has great practical significance.In this paper, the new anti-collision materials and anti-collision forms of longjiang bridge will be studied, and the finite element structure calculation will be carried out for the design of structures in water and safety protection measures, so as to optimize the structure design of protection measures

Key Words : Anti-collision structure; Bridge collision; Protection measures

第一章绪论 1

1.1论文研究的背景和意义 1

1.2.1国内外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3.1国外船桥碰撞事故 4

1.3.2国内船桥碰撞事故 5

第二章船桥碰撞理论和研究方法 8

2.1基本碰撞理论 8

2.1.1Minorsky理论 8

2.1.2Woisin理论 8

2.1.3 Heins-Derucher理论 9

2.2船桥碰撞撞击力简化计算公式 9

2.2.1Woisin 经验公式 10

2.2.2美国AASHTO规范公式 10

2.2.3 欧洲Euro-codel规范公式 11

2.2.4 我国公路规范公式 11

2.2.5中国铁路桥涵设计规范公式 11

2.2.6 挪威规范公式 12

2.3船桥碰撞研究方法 12

第三章桥墩防撞设施的应用 13

3.1各类防撞设施的分类 13

3.2各种防撞装置的特质 14

3.2.1直接构造弹性变形型 14

3.2.2直接构造抗压变形型 15

3.2.3直接构造变位型 15

3.2.4间接构造弹性变形型 16

3.2.5间接构造抗压变形型 16

3.2.6间接构造变位型 16

3.4防撞设施应用 16

3.5本章小结 17

第四章龙江大桥桥墩的防撞力计算 18

4.1 通航环境和防撞设计船型 18

4.1.1桥位河段通航环境 18

4.1.2通航代表船型 19

4.1.3通航净空尺度 20

4.2设计碰撞速度 20

4.3设计撞击力计算 21

第五章龙江大桥桥墩的防撞方案 22

5.1防撞设计的目的和基本要求 22

5.2防护系统选择 22

5.3防护系统的设计 23

5.4 ANSYS软件分析 26

5.4.1有限元发展史 26

5.4.2有限元分析 26

第六章结论 34

6.1主要研究成果 34

参考文献 35

第一章绪论

1.1论文研究的背景和意义

现如今国内经济飞速发展，发展越快对交通的需求越大，交通是经济发展的铺垫，有了良好的交通发展，经济流通运输也会事半功倍，最主要的交通运输一个是水运，另一个是陆运，需要注意的是，二者都离不开桥梁，都需要在桥梁附近行通。五湖四海，海江河湖是船只的必经之路，只不过河流，江流等就造成了，陆运交通的不便，因此，桥梁建设必不可少，是人行车辆的必须通道，不过桥梁多了，缺成了船舶航行的人工路障。于是，桥和船只的碰撞越来越多，随着经济飞速发展，陆运的运输量的增加，运输的车越来也多，随着而新建的桥梁越来越多，规模越来越大，经济发展不仅带动了陆运，水运的需求也在增加，车船并进，而船舶载重越来越多，船舶本身的体型和排水量也在增加，越来越大型化，桥梁和船只的碰撞不仅越来越多，而且越演越烈，船桥碰撞事故引发的经济损失，人员的受伤甚至死亡，水运堵塞，交通停滞拖经济发展速度，环境污染，甚至桥塌船毁都是无法接受的。

近些年来，船桥碰撞的事故一直没有间断，不断发生，而且规模越来越大，造成的损失越来越大，造成的影响也越来越大，美国Chesapeake City Bridge 1942年发生事故，死亡人数未知，英国SevernRiver Railway Bridge,1960年发生碰撞死亡人数5.在我国，著名的武汉长江大桥，1958年建成，从建成到现在，总共累计有70次，其中有3次是桥梁高度不够，桥梁和船的顶部发生碰撞，67次大多是人为因素，少量是自然原因，不过都撞在了桥墩上。

船桥相撞引发的事故，一者妨碍了水运通航，二者造成还会经济损失，人员的受伤甚至死亡，水运堵塞，所以在设计的时候要考虑很多因素，桥梁设置位置，代表船型航行高度，以及自然天气水位最高，和水流速度影响船只的航行，都要考虑，经过各方面的考虑以后推出不同的方案进行比较，选择经济化的合理的方案。

到现在的桥梁设计规范，目前对船桥碰撞撞击力的计算都是靠经验公式，实际撞击力，不同的规范计算出来的撞击力都不同，不同的船只，，不同的碰撞，不同的桥墩都会导致结果的不同，而且差异性非常大，理论和实际差距比较大，因此对于碰撞事故的细节研究，碰撞力的计算，碰撞位置的精确，以及防撞措施装置的改进和效率的提高都势在必行，船桥碰撞不仅会使桥梁结构受到损伤，也会影响桥梁的寿命和安全性能，可能造成的环境污染损失，货物倾泻，人员伤亡也不可计量。

因此，从安全上保护桥墩保护船舶，经济上减少引起的经济损失，环保上避免事故后导致的水体污染，空气污染，伦理问题上保护船员或者桥梁上行驶车辆驾驶员的生命安全，船桥碰撞问题理论研究及桥墩防护措施的改进研究有着很强的现实意义，规避船桥碰撞的风险和减少碰撞后导致的损失。

1.2.1国内外研究现状

逐渐的世界各地都认知到了船桥相撞引发的严重后果问题，从上个世纪开始，世界上一些发达国家，水运发达的国家包括美国，英国法国等，有不少的学者开始研究船桥碰撞问题，由于碰撞问题十分复杂是非线性结构问题，各国情况均有所不同，学者的研究成果也有所不同，不同国家出版了不同的水路规范，船舶设计规范，来指导本国的桥梁船撞设计，最大化的减少经济损失，和人员的伤亡。1991年，美国道路工程师协会（AASHTO）编辑了美国本土的《公路桥梁船撞设计指南》，最初设计的时候是针对美国本土的内河桥梁，在具有一定风险的前提下，对船桥碰撞撞击力的计算和桥梁设计规范有了雏形，《美国公路桥梁设计规范》出版后在全球颇具影响，它反映了当时美国在船桥技术上的先进水平，不仅美国本土的许多桥梁设计参照规范，就连世界其他先进国家也在建设桥梁和研究防撞中参考和应用。这本书大概每四年会修订一次，不断更新完善理论知识，不断进步更精确的理论基础，由于美国的经验，设计规范的出版，将全世界桥梁设计推向了新的高度。

1979年，德国的WOISIN教授，结合理论知识和模型实验，在MINORSKY理论的基础上进行合理改进并将它非常巧妙的转换思想，认为船船碰撞和船桥碰撞有一定的相似性，并应用于船撞桥问题的研究，经过不懈的努力和模型实验，最终得出了可用于粗略计算撞击力的简化公式。该实验表明，船桥碰撞不同于船船碰撞，船桥碰撞的撞击力和时间有关系，以及撞击力的大小和碰撞船船体的刚度，碰撞的角度，桥墩的材料，刚度还有船自身的载重尺寸规模，排水量有关。

1983年，国际桥梁和结构工程协会IABSE在各奔哈根举办了一次以船桥碰撞合理设计以及设计规范为主题的国际会议，这次会议标志着船桥碰撞问题，在世界上得到了广泛重视，使船桥碰撞的研究步入了另一个阶段，全球分享各国经验，借鉴各国的经验，结合本国的实际情况，又能得到更快更精确的发展和进步。

1993年，国际桥梁及结构工程协会（International Association for Bridge and Structural Engineering），简称：IABSE。出版了《船舶碰撞桥梁》专册，给后续研究者有了不错的参考。

1995年，成立了一个国际性小组国际航海会议常设协会;简称PINAC，小组的成员大部分来自九个发达国家，各国的数据库一起分析，小组成立研究了五年，就成立了一个规模较大的国际数据库，其中涵括了151起在欧洲和北美洲发生的大型船和桥碰撞事故，并对这些事故的原因进行分析，把结果分的很清楚，通过对数据的分析和统计，可以直观的发现其中90%都是人为原因，人的失误和技术上的漏洞，认为失误主要是船员和领航员的沟通问题，还有操作不当，以及对于突发情况发生时，人比较紧张处理不当，另外人员松懈，偷懒，或者过度疲惫，技术原因就是导航系统出问题，或者机械损坏，灵敏度降低，设备老旧。只有10%的原因不可控制自然原因造成的，自然灾难，冰雹，风暴，大雾，以及不明漂浮物等自然状况

2006年，奥斯丁大学的Manuel L用软件和模型模仿实验，得到了大型船舶和在通航水域的桥墩碰撞的数值，得到了船桥碰撞的撞击力的大小和应力散布。运用有限元网格划分对碰撞结果进行了比较精准的预算，但是由于采用了比较简单的模型，所以与实际工程还是有一定的误差。

1.2.2国内研究现状

我国在19世纪中期处于抗战时期和重建时期，所以对船桥碰撞问题的研究比其他发达国家晚，在上个世纪末开始进行的，1994年新济平同志在访美时期浏览了《美国公路桥梁设计规范》，并获得美方的应允，可以在我国出版中译本，随后交通公路规划设计院立即展开了这项翻译工作，毋庸置疑该书的翻译出版，对我国桥梁设计规范影响深远而且让我国吸收其他发达国家的经验后，我国的科研水平和教育有了质的变化，在我国研究人员的努力下，针对性的研究本土国情，对症下药，使得我国在桥梁设计方面，桥梁碰撞方面不再捉襟见肘，有了明显的进步。

根据《中国知网》的统计，2000年是我国在船桥碰撞方面飞速发展的阶段。从这个时间开始，我国的文章发表数量和速度明显上升，研究人员和学者也在猛增，这说明我国从2000年起，已经重视了船桥碰撞问题，并投入了实质性的研究。

2002年，刘建成，顾永宁两位学者钻研船桥碰撞撞击力，并应用了有限元工具，在期刊上发表了一篇名字叫做《船-桥碰撞力学研究现状及非线性有限元仿真》的文章。文中主要说明了几种不同的撞击力计算方法，然后用有限元仿真验证，除此之外，还讲述了船桥碰撞中的撞击能量大部分被船体因撞击导致的变形吸收了，这篇文章，给后面学者有了启蒙的作用。

2002年，王自力，蒋志勇，顾永宁研究了船船碰撞数值模拟仿真，并在这个基础上附加了质量，这几个学者研究出重要的结论，船在高速航行的时候，和桥墩发生碰撞，不仅模型建成，还可以加上质量，这可以极大的减少准备工作的计算量，还可以具有准确性，并且可以直接在工程上应用。在现实工程利用中，获得了广泛利用，固然船船碰撞，但若是加防撞装配，就能够衍生利用到船桥碰撞题目中，将防撞的设施类似防撞箱类比为一条不动的船。

2003年，同济大学的颜海泉在研究船桥碰撞的时候，借用有限元软件ANSYS和LS-DYNA，用实际真实的数据和模型，模拟了大型桥梁与最常见的500t的货船进行碰撞，根据不同的经验公式的适用条件，用最合理的计算公式，计算撞击力，这次研究是我国在船桥碰撞研究中，从理论到实际的一个标志。

2009年，唐侦湛用重庆忠县大桥现实工程数据，应用LS-DYNA开始模型数值模拟，以一艘5000吨集装箱船取代船只，阐发撞击过程当中应力和应变另有撞击力的转变规律，和桥墩的受力环境和受损环境。

2011年，郑维钰等做了一次用实物撞击实验，对柔性防撞装置进行比较全面的测试，一艘500吨的散货船匀速撞上桥墩，得出了柔性防撞装置能够减少船撞桥碰撞过程中的最大撞击力，从而减少桥和船的结构变形，提高了桥墩的防撞能力，减少了撞击后的损失，这项工程对实际工程的应用有了进一步的突破。

1.3.1国外船桥碰撞事故

图1.1

图 1.1

从图中可以看出船桥碰撞事故造成的人员伤亡有多么恐怖，俄罗斯Volga River Railroad Bridge在1983，1984两年中发生两起船撞桥事故，死亡人数分别176，240这是相当惨痛的代价了。

1980年，在美国佛的里达州的阳光大桥，由于自然原因天气不好，一艘货船直接撞击在桥墩上，导致桥墩倒塌，近40米主梁垮塌，事故造成35人死亡，造成的经济损失达千万美元。1993年，美国巴马州莫比尔，一艘驳船在晚上航行，与CSX铁路大桥的桥墩相撞，导致桥面和上层主梁发生严重变形，轨道线路完全不能用，并使后来一列客运列车通过时脱轨，该事故造成47人死亡。2001年，在美国德克萨斯州附近，一艘拖船因为水流太急，航行时发生了偏离，撞到了伊里贝拉皇后跨海大桥，造成桥梁结构严重受损，正在航行的汽车直接坠落，事故造成四人死亡

图 1.2阳光大桥撞击事故

图 1.3伊丽莎白皇后跨海大桥撞击事故

1.3.2国内船桥碰撞事故

经济发展伴随着交通运输需求的增加，江河、港区、海峡上的大型桥梁越来越多，同时船舶的体型和吨位也逐渐增加，船舶碰撞桥墩导致的船毁桥塌的重大事故越来越多，越来越严重，在国内，著名的武汉长江大桥建成至今遭受了70次不同程度的撞击，南京长江大桥的船桥碰撞事故也有25起，造成事故的原因还是人为因素为主，设备技术原因第二，自然条件因素第三。由此可见，造成的损失如此之大，人们还是会有松懈的时候，还是会发生，说明船桥碰撞的事故是不可完全避免的。

1，广东九江大桥撞塌事故

2007年6月15日凌晨时刻，在黎明之际，大约5点10分，广东九江大桥被一艘大型船舶撞击，声音打破了寂静，全长1675.2米的大桥，居然被一艘船撞塌了，塌了200多米，这件事当时震惊整个中国，而且发生事故时，有四辆汽车掉下去，还有两名施工人员坠入西江，总共有8人死亡。这个事件全国有不小的轰动，称为“九江大桥6.15船撞断桥事故”