摘 要

进入21世纪后我国经济迅速发展，桥梁和船舶的数目日益增多，两者之间的矛盾越来越突出，船撞桥事故的发生频率越来越高，而为桥梁安装防撞套箱能明显降低被撞桥梁与撞击船舶受到的伤害，所以越来越多学者投入到船桥碰撞机理和桥梁防撞装置的研究中来。

本文简要介绍了船桥碰撞问题的研究现状和碰撞力大小计算的相关理论，同时介绍了防撞装置的工作原理，分类和建造要求；针对3000t船舶按照规范设计了浮式防撞套箱，确定了型材的尺寸，并对套箱进行了压载水划分与静态校核。根据简单梁理论计算了套箱承受的总纵弯曲应力，并与规范进行比较，计算结果表明套箱强度满足相关规范要求。

采用有限元软件LS-DYNA计算3000t船舶在三种不同情况下撞击设计套箱的碰撞力与套箱变形，得到了碰撞力变化，撞深变化，撞击船舶速度变化曲线，简要分析了影响碰撞力大小与撞击变形大小的因素。

关键词： 船桥碰撞；碰撞力；防撞套箱

Abstract

With China's rapid economic development in the 21st century, the number of bridges and ships is keeping growing. As a consequence, the frequency of ship-bridge collision accident is still increasing. Installing the crashworthy installation for the bridge can significantly reduce the damage that the bridge and the ship suffered, so more and more scholars start to study the mechanism of ship-bridge collision and anti-collision device.

This paper briefly introduces the research status of ship-bridge collision and the theory to calculate the force of ship-bridge collision. At the same time, it introduces the working principle, classification and construction requirements of anti-collision device. A floating crashworthy installation is designed for 3000t ship, and the ballast water is divided and the static check is completed. According to the simple beam theory, the total longitudinal bending stress of the casing is calculated and compared with the standard. The calculation results show that the strength of the box meets the relevant specification requirements.

The collision force and geometry deformation of the 3000t ship in each case were calculated by LS-DYNA software. The factors that influence the magnitude of the impact force and the size of the impact deformation are analyzed.

Keywords: ship-bridge collision; impact force; floating crashworthy installation

目 录

第1章 绪论 1

1.1船桥碰撞问题研究背景与意义 1

1.2船桥碰撞问题的研究现状 3

1.2.1碰撞试验法 3

1.2.2数值分析法 3

1.2.3 经验公式法 4

1.2.4有限元仿真模拟 4

1.3桥梁防船撞问题的研究现状 5

1.3.1桥梁防撞装置的原理和分类 5

1.3.2桥梁防撞装置的要求 5

1.3.3桥梁防船撞装置的研究现状 6

1.4本文主要内容 7

第2章 防撞套箱的尺寸设计与规范校核 8

2.1基本资料 8

2.2外板及内底板 8

2.2.1外板 8

2.2.2底板 8

2.3强力甲板 9

2.4实肋板 9

2.5底肋骨 10

2.6主肋骨和普通肋骨 10

2.7强肋骨 10

2.8横梁 11

2.9甲板纵桁 11

2.10水密舱壁 12

2.11本章小结 12

第3章 防撞结构的压载水布置与静态校核 14

3.1防撞装置稳定的条件 14

3.2压载水的布置 14

3.3防撞套箱的静态校核 15

3.3.1防撞套箱的静水剪力和静水力矩计算 15

3.3.2静波浪弯矩与静波浪剪力的计算 19

3.3.3船体总纵强度计算 20

3.4本章小结 20

第四章 船舶碰撞套箱有限元仿真计算 22

4.1概述 22

4.2模型的建立 22

4.2.1防撞套箱的建立 22

4.2.2船舶的建立 23

4.3接触的设置 23

4.3.1接触算法 24

4.3.2接触类型 24

4.3.3摩擦因数的选取 24

4.4施加约束与求解控制 24

4.4.1施加约束 24

4.4.2求解控制 25

4.5各工况仿真计算 25

4.5.1工况一 25

4.5.2工况二 32

4.5.3工况三 39

4.6计算结果分析 46

4.7本章小结 46

第5章 结论与展望 47

5.1本文结论 47

5.2对未来工作的展望 47

参考文献 48

致 谢 50

第1章 绪论

1.1船桥碰撞问题研究背景与意义

我国自古以来就是一个内河航运资源丰富的国家，全国大小天然河流累计有5800多条。一方面随着经济的快速发展和国家对基础建造的重视，整个国家的基础建设迈入了一个黄金发展时期，各种跨江大桥和高速公路都处于飞速建设之中，目前在天然河流上已经有特大型桥梁3075座，大型桥梁67667座[^[1]]；另一方面，科学技术的发展日新月异，随着船舶制造技术的革新和制造加工设备不断发展更新，行驶在河内的船舶数目明显增多，吨位也在不断增大，使得船舶和桥梁的矛盾日益突出。

国内这些年发生的船桥碰撞事故明显增多，据统计,武汉长江大桥自从1957年建成起来大约发生了70起船撞桥事故[^[2]]，直接造成的经济损失多达数千万元，平均计算下来，基本上一年就要遭受一次船撞事故。黄石长江公路大桥在连续3年时间内共发生船舶碰撞桥梁事故达20多起[^[3]]，最为严重的一次船毁人亡，货物全部沉没，桥墩受损严重，直接造成经济损失多达上千万元；南京长江大桥在建成后也曾遭受过30多次船舶的撞击[^[4]]，经历过多次维修。