摘 要

船-桥碰撞事故不仅会导致船舶结构损伤，造成桥梁损毁或倒塌等灾难性后果，还可能造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失以及环境危害。研究桥梁防船撞的研究对可以减少船舶碰撞的损失，具有较大的工程意义。浮式防船撞套箱是一种桥梁浮式消能防船撞结构的型式，经过多年的实践与研究，已经成为国内常用主流的防船撞形式。防撞套箱的不同内部结构形式对其耐撞性的影响很大，本文设计了一种桥梁防船撞结构并通过有限元方法对不同形式防撞结构的耐撞性进行分析。

采用Ls-Dyna有限元软件对常用的四种夹层板进行模拟分析，得到内能、比吸能、碰撞力峰值、变形位移等结果，对四种结构的耐撞性进行对比，综合分析得到梯形夹层板为最优耐撞结构的结论。再通过正交试验设计和响应面代理模型方法对影响夹层板耐撞性的尺寸进行优化设计，得到最优尺寸组合进行有限元仿真计算，将结果与原型结构计算结果作比较，结果表明优化后的结构具有更优的耐撞性能。参照宝塔坪大桥实际情况设计防撞套箱并应用，将优化好的梯形夹层板结构作为套箱内部结构形式，通过有限元仿真模拟2000 t级船舶碰撞防撞套箱过程，获得内能、碰撞力峰值、变形位移等结果，分析讨论防撞套箱在不同碰撞速度下的耐撞性能。

关键字：船桥碰撞；数值仿真；夹层板；防撞套箱；耐撞性；

Abstract

Ship-to-bridge collision accidents not only result in damage to the structure of the ship, causing catastrophic consequences such as damage or collapse of the bridge, but also serious casualties and huge damage to property and the environment. Research on the research of bridge-to-ship collision avoids the loss of ship collision and has great engineering significance. The floating type anti-ship collision collision box is a type of bridge floating energy dissipation anti-ship collision structure. After years of practice and research, it has become the mainstream form of anti-ship collision. The different internal structure of the anti-collision case has a great impact on its crashworthiness. This paper designs a bridge anti-ship collision structure and analyzes the crashworthiness of different types of anti-collision structures through the finite element method.

Ls-Dyna finite element software was used to simulate the four kinds of commonly used sandwich plates, and the results of internal energy, specific energy absorption, peak impact force, deformation displacement, etc. were obtained. The crashworthiness of the four structures was compared, and the trapezoidal shape was comprehensively analyzed. The sandwich panel is the best crashworthy structure. Then the orthogonal test design and response surface agent model method are used to optimize the design of the dimensions that affect the crashworthiness of the sandwich plate. The optimal size combination is used for the finite element simulation calculation. The results are compared with the results of the prototype structure calculation. The structure has better crashworthiness. Referring to the actual situation of Baotaping Bridge, design the collision avoidance box and apply it. Use the optimized trapezoidal sandwich plate structure as the internal structure of the box. Simulate the collision of the 2000 t class ship against the impact collision box and obtain internal energy and collision. Peak force, deformation displacement and other results, analyze and discuss crashworthiness of the crash box at different crash speeds.

Keyword: Ship-bridge collision; numerical simulation; sandwich plate; anti-collision case; Crashworthiness;

目录

摘要 1

目录 3

第一章 绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.2.国内外研究现状 7

1.2.1桥梁防撞设施的研究现状 7

1.2.2防撞套箱概论 9

1.2.3波纹板结构形式 9

1.2.4船桥碰撞计算方法研究 10

1.3本文所做主要工作 11

第二章 夹层板结构形式耐撞性比较 12

2.1引言 12

2.2夹层板结构碰撞仿真 12

2.2.1材料模型 12

2.2.2边界条件与接触设置 13

2.2.3载荷情况 13

2.2.4有限元模型 13

2.3仿真结果比较及分析 14

2.3.1时间-能量曲线 15

2.3.2撞击力-时间曲线 18

2.3.3结构变形 19

2.3.4不同结构耐撞性比较 22

2.4 本章小结 22

第三章 梯形夹层板结构的优化设计 24

3.1引言 24

3.2梯形夹层板尺寸优化设计 24

3.2.1耐撞性优化问题的定义 25

3.2.2试验设计 25

3.2.3建模仿真采集数据 27

3.3.3响应面代理模型 28

3.3.4优化结果分析 30

3.4 本章小结 33

第四章 桥梁防船撞结构实船碰撞数值仿真分析 34

4.1 引言 34

4.2防撞套箱有限元模型 34

4.2.1几何模型 34

4.2.2材料模型 35

4.2.3边界条件与接触设置 37

4.2.4单元类型及网格划分 37

4.3仿真结果分析 37

4.3.1时间能量曲线 37

4.3.2碰撞力-时间曲线 40

4.3.3结构变形 44

4.4 本章小结 47

第五章 结论 49

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

近年来，世界各地跨航桥梁因受到船舶撞击而倒塌或严重损毁的事故时有发生。虽然船撞桥是小概率事件，但是随着水上交通和跨航桥梁建设的发展，航运费用低廉，船舶运输量及船体规模势必增大，发生碰撞的概率也将变大。且由于船舶安全航行通过通航孔还与桥区的水文条件和天气状况有关，比如桥墩周围的发生的涌流、旋流、流速变化等一系列不可人为控制的偶然因素，船桥碰撞其实就某种程度而言是不可控的。而船-桥碰撞事故不仅会导致船舶结构损伤，威胁着船舶的通行安全，同时造成桥梁损毁或倒塌等灾难性后果，严重影响着桥梁的运营安全，可能还会造成巨大的生命和财产损失以及环境危害。

国外船舶撞击桥梁的事故从上世纪60年开始就屡见不鲜，为了研究船桥相撞问题，1995年国际航海协会常务会议成立了工作小组^[1]，调查了151起船桥碰撞事故，并在五年之内建立起了国际船桥碰撞事故数据库，根据统计得出1960到2002年共发生35起大型船桥碰撞事故，事故带来的人员伤亡惨重、经济损失巨大。其中，1980年，美国的阳光大桥被一散装货轮撞塌，35人死亡，损失超过25000万美元；1983年6月，苏联乌里扬诺夫斯克伏尔加河上的一座铁路桥受到“亚尼山大苏瓦洛夫客轮”的撞击，使船的一个上甲板室被桥梁的上部结构切断，造成176人死亡。造成死亡人数最多的船撞桥事故也在苏联，一艘名为“亚尼山德鲁依凡诺夫”客轮撞上伏尔加河的一座铁路桥，导致正在过桥的四节列车车厢落水，240人死亡。2002年5月，美国阿肯色河一座有20年历史的大桥遭到驳船意外撞击后造成大约100米长桥段坍塌，导致12辆汽车接连从20米高空落入湍急的水流中，只有4人遇救生还。后果惨重的船桥碰撞事故引起了相关部门高度的重视，但是事故发生的次数并没有减少。根据国际桥梁结构工程协会（IABSE）对国际上29起重大船舶撞击桥梁的事故研究，发现船桥碰撞事故数量呈增长趋势。

我国船桥碰撞事故也不少，经过大量调研，学者戴彤宇^[2]建立起了我国船桥碰撞事故的数据库，1959年到2002年间，有记载的发生过的船桥碰撞事故共有213起，累计造成47人死亡，直接经济损失达五千多万元。此后国内也发生过不少船撞桥事故，表1列举近十年桥梁遭受船舶撞击事故。其中2007年著名的“九江大桥船撞事故”，全长1675.2米的广东九江大桥坍塌200米，桥上4辆汽车与2名施工人员坠入河中，共造成9人死亡，和多方面惨痛的损失。有些船撞桥事故所幸没有造成人员伤亡，但是也会带来巨大的经济损失和交通封闭，以及较长时间的公共心理冲击。如图1，2016年1月8日，“惠丰年298”重载散货船运载碎石经过洪奇沥大桥水域时碰撞上洪奇沥大桥引桥右侧桥墩立柱，碰撞造成桥墩受损严重，事故未造成车辆和人员伤亡。但该桥被船撞击后受损严重、受损引桥有可能发生坍塌等危险。

表1-1 近十年来船桥撞击事故

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