龙江大桥新型防撞材料和防撞形式研究开题报告
2020-02-18 19:31:39
1. 研究目的与意义（文献综述）
目的及意义
交通是国民经济的大动脉,其中陆运和水运占举足轻重的地位,而两者都离不开桥梁。江河湖海是船只的航行通道,但对陆上交通则是天然障碍,于是促进了桥梁的建设桥梁是行人车辆跨越水流的通道,但对船只航行则是人工障碍。于是,船和桥梁相撞的事故不断发生,古已有之,于今为烈。在我国,一方面航运繁忙的河流上己修建了大量的桥梁,并计划修建更多的桥梁。另一方面,船舶的尺寸和排水量趋于大型化,桥梁受到船舶撞击的事故也就日益增多。这类事故往往导致桥塌、船沉、人亡,水陆运输干线中断及环境污染等严重的社会和经济恶果。
国际桥梁与结构工程协会曾经记录了1960年至1993年国际上发生的29起船舶碰撞桥梁的重大的事故。在美国,Sunshine shyway桥就是由于船舶撞击而倒塌。在我国,仅武汉长江大桥(后称武汉长江一桥),自1958年建成到1999年共被撞70次,其中除3次因桥梁的高度小于船舶的高度而撞到钢梁外,其余67次均撞在桥墩上。2002年5月20日,美国oklahoma州40号州际公路的阿肯色河桥被两艘空载驳船与一艘顶推船组成的驳船队撞塌。近期的船撞桥事故也给我们敲响了警钟。2007年6月15日凌晨5时10分,国道325广东的九江大桥发生船撞桥事故。南杜机035号船舶偏离航道,误入非通航孔,直接撞击到23号桥墩,该船产生的横桥向撞击力远大于设计该桥墩允许的400吨横桥向撞击,导致四孔非通航孔桥坍塌的事故,同时致使未坍塌的相邻孔出现严重损伤。2007年3月29日12时45分左右,在江苏省昆山市大洋桥水域,一艘货船因避让船只,撞上大洋桥桥墩,致使大桥部分桥面发生坍塌。船舶运输的发展使得现在的通航船舶开始变得愈来愈大、愈来愈快、愈来愈多,同时桥区环境的改变,如流速、风速、弯道、冲刷、淤积、潮位等,也会影响着船舶的正常航行,船撞桥墩事故的发生是难以完全避免的。船舶一旦撞击桥墩,墩身将承受巨大的撞击力。如果按能承受船舶最大正撞力来设计桥梁桥墩,则这些构筑物将硕大无比,影响航道的通航能力如果将桥墩避开航道,则导致桥梁跨度增大,桥型改变,增大投资,带来施工、设计上的困难。
现今,各种规范对船桥碰撞大多根据经验公式进行计算。由于实际航道上的航行船舶类型及尺度离散性很大,桥墩型式也各有不同,计算结果与实际常有较大的差距,因此进行更细致的船桥碰撞动力学理论分析及计算,对于碰撞力的确定和防撞措施改进与效能提高都十分必要。船桥碰撞往往会造成桥损、船沉、人亡、货物泄漏和水路运输干线长期中断等严重后果,重建桥梁和疏通航道的费用十分惊人,所以,无论是从安全上、经济上、还是从环境保护上来看,船桥碰撞及桥墩防撞设施研究都具有极大的现实意义。
国内外研究现状
对船撞桥的有关研究工作早在上个世纪60年代末就已有开展了,但仅局限于少数几个国家,并且在最初的十几年当中进展非常缓慢。直到1983年,国际桥梁和结构工程协会 IABSE( InternationalAssociation for Bridgeand StructuralEngineering)在哥本哈根举行了一次以船撞桥合理设计与分析为专题的国际研讨会,这是国际上第一次以此为专题进行的专门研讨。这次哥本哈根会议标志着船撞桥问题在世界范围内得到了广泛重视,使船撞桥问题的研究步入了一个较快的发展时期。
70年代末开始,尤其是80年代后期,一些技术咨询公司和研究机构,包括开普公司(CAP- Consult)、茂盛公司( Maunsellamp; artners)、科威公司( COWI Consult)、
摩吉斯基公司( modjeskaamp; Masters)等,先后对丹麦大带桥、澳大利亚塔斯曼桥、美国的阳光大桥、直布罗陀海峡大桥以及路易斯安那州水道上的桥墩开展了船撞桥问题的专项研究,并取得了一些重要的研究成果。
在美国,1980年发生的阳光大桥被撞塌事件成为一个历史性的转折点。在此之前,美国并不十分重视船撞桥的有关问题,开展的研究也较少。阳光大桥撞塌事件唤醒了各界对横跨通航水域桥梁安全的重视,并由此次惨剧引发了一个由美国11个州和美国联邦公路局( FHWA-FederalHighwayAdministration)共同投资开展的研究项目,美国 Moffat and Nichlo工程师事务所的诺特( Knott. M.A)等人参加了研究工作,并陆续有成果发表。这项研究工作最显著成果就是在此基础上,于1991年形成了美国第一部指导性规范—-《船舶碰撞公路桥梁设计指南》( GuideSpecification andCommentary for Vessel Collision Design of highwayBridges),该文件由美国各州公路和运输官员协会 AASHTO正式出版。这是第一部受到普遍认可并具有指导意义的桥梁船撞设计规范。目前该规范的有关内容已被改写进《美国公路桥梁设计规范》( AASHTO- LRf D Bridge DesignSpecifications)简称LRF规范的有关章节,并成为桥梁工程师进行桥梁防撞设计的实用性规范。
同样是在1991年,ABSE在列宁格勒召开了一次年会。在会上ABSE接受了由拉森(0.D. Larsen)主笔撰写的"“ Ship Collision with Bridge”,即:《船舶碰撞桥梁-船舶交通与桥梁结构间的相互影响综述与指南)》,文中对船撞桥研究的已有成果进行了系统的归纳和总结。该文作为工ARSE的文件于1993年正式发表,从而进一步总结推动了对船撞桥问题的研究工作。之后,欧洲一些国家也相继对桥梁的船撞问题制定了一些标准或规范。
1995年,国际航海协会常务会议 PIANC成立了一个第19工作小组,专门从事船撞桥事故的研究工作,这是航运界第一次组织国际性的船撞桥问题专题研究。至此,船撞桥问题己经不只是为桥梁界所重视,航运界也已开始重视这方面的研究工作。该小组经过5年的工作,已经建立了一个包括151起船撞桥事故的国际数据库,并对相关问题进行了研究分析。
在我国,对船撞桥问题的研究主要是在上个世纪九十年代以后开始进行的。部分专家学者结合黄石长江大桥、汕头海湾跨海大桥、珠海伶仃洋大桥、苏通长江大桥等项目进行了桥梁防船撞设施的试验研究与实践,对船撞力的计算、桥墩水域流场对船舶航行安全的影响等进行了研究。也有海事和航运等部门的专家对局部水域的船撞桥事故及相关因素进行过-些研究工作。
1.杨柯、潘杰针对株洲红港大桥桥墩的特点，对桥墩防撞设施进行了设计，同时通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算，研究了桥墩和防撞设施的防撞性能，验证了所设计的防撞设施的可行性。
2.肖荣清、陈楚珍等通过模型试验, 验证了“液体稳压柔性消能”桥墩防撞设施方案设计的正确性、合理性和可行性，揭示了船舶碰撞桥墩时各部分的受力大小及其分布规律，从而为技术设计和施工设计提供了可靠依据。并得出此液体稳压柔性消能方案合理，设计计算、分析与试验测试结果基本一致，满足船桥相撞后,桥墩不会受破坏，船舶也不会有大的损伤，防撞设施能自行恢复正常工作状态且安装、维护、检修方便简单等设计要求的结论。
3.泉州市公路局与福州大学土木建筑工程学院专家研究，采用大型空间有限元防真分析和缩尺模型试验，对大桥防撞岛在船撞力作用下的力学行为以及防撞岛的实际船撞力进行研究?。
4陈国虞对防撞设施的选择（包括防撞设施的种类、选择的原则、综合要求及桥墩防撞的工作程序）进行了探讨和总结。
5.陈炜、肖波等针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥1号墩防撞设计与分析。提出适合该桥梁防撞要求的等截面桥墩防撞设施，并采用有限元方法对船与该防撞装置的碰撞过程进行了模拟，得出了桥梁设计所关心的技术指标，满足了设计要求。
6.有关工程指挥部总结出杭州湾跨海大桥防撞四大原因，以为其他大桥的防撞提供参考：大桥桥形为S形，能与杭州湾的不同水流构成垂直，这样，航船穿过大桥的航道时就不会因水流的流向而撞上桥墩；在大桥的南北航道桥墩上安装防撞套箱；大桥外围设桥标、航标，引起过往船舶注意；大桥设AIS系统和VTS系统，利用无线电信息提醒过往船舶。
国外事故
-
2006-12-28-印度百年老桥坍塌造成至少24人死亡，其中包括21名学生。另有25人受伤，8人失踪。
- 2007-04-29-美国加利福尼亚通往奥克兰的高速公路车一辆油罐当地时间29日起火爆炸，导致一座高速公路桥意外坍塌。
- 2007-07-31-美国加利福尼亚州一座正在建设中的立交桥发生坍塌，有根几十吨重的钢梁从15米高空落下，并砸中一辆过路的货运卡车。
- 2007-08-01-美国密西西比河桥美国中部城市明尼阿波利斯市2007年8月1日傍晚发生一起桥梁坍塌事故。多辆汽车掉入密西西比河中，7人死60人伤。
- 2007-09-26-越南南部永隆省已造成至少52人死亡，另有约170人受伤。
- 2007-09-01-巴基斯坦卡拉奇导致至少4人丧生，受困人数不明。
- 2007-09-09-印度“抗震”桥雨中坍塌估计可能造成至少15人遇难
- 1980年05月：美國佛羅里達州坦帕灣的大橋在暴風雨中遭船隻撞塌，35人死。
- 1987年4月：美國紐約一座高速公路大橋倒塌，10人死。
- 1989年10月17日:美国Cypress Freeway在1989年旧金山7.1级的地震中倒塌，造成42人死亡。
- 1994年10月21日:韩国首尔Songsu大桥中间段在早上上班高峰时期断开，坠入汉江，导致31人死亡。
- 1995年1月17日:日本神户发生灾难性的里氏7.3级地震，造成了严重人员伤亡和财产损失，其中一座四车道悬空高速公路断裂，将道上汽车甩落地面，导致18人死亡。
- 1995年10月8日:阿尔及利亚拉格瓦特省一个小镇大雨之后一座桥坍塌，导致50人左右丧生。
- 1998年6月：一列火車從慕尼黑前往漢堡途中，於德國漢諾威出軌，造成101人死，並導致天橋倒塌。
- 2001年3月4日:葡萄牙北部的Hintze-Ribeiro大桥坍塌，一辆汽车落水，导致多达59人死亡。
- 2001年9月：一列駁船撞向橋樑，使美國得州一座橋塌下，8人連車落水而死。
- 2002年5月27日:美国俄克拉荷马州的一座大桥被驳船撞击后断裂，数辆车坠入阿肯色河，至少14人死亡。
- 2003年5月：美國內布拉斯加西部的80號州際公路，一架拖拉車撞向橋樑，導致大橋塌下，壓住貨車，司機死亡。
- 2003年8月28日:印度达曼西部沿海区域一座大桥坍塌并坠入泥河，一辆校车及多辆轿车被卷入湍流，至少25人死亡，其中包括23名儿童。
- 2005年11月：西班牙南部一座興建中的公路大橋倒塌，6人死。
国内事故
1，广东九江大桥船撞桥断事故
2007年6月15日凌晨5时10分左右，轰隆一声巨响，横跨西江，全长1675.2米的九江大桥塌了200米。正在桥上行驶的4辆汽车与2名施工人员像下饺子一样坠入河中，共造成8人死亡，这就是当年轰动全国的“九江大桥6·15船撞桥断事故”。 
2、明珠7号邮轮撞击温州大桥
2012年5月23日08：00时许，“明珠7号”邮轮在温州引航中心指挥下起锚起拖，09：05时过磐石码头，开始控制速度；0945时过马蹄礁灯桩，拖带速度5节；随后继续减速，09：50时许，过Q2灯浮，拖带速度3.2节，09：53时，明珠7号船首进入桥孔，当时意识到存在碰撞危险，随即下令两侧的“温拖3”和“温拖5”停车，在尾部的“温拖1”全速退车。但“明珠7号”在惯性和水流的影响下仍缓慢的前行并在09：54时与温州大桥发生刮擦。
3、福建福州船只撞桥事故
2010年11月2日晚19时，福州市乌龙江大桥新建桥下游水域，一艘行进船只正面撞击正在施工中的3号桥墩，致使施工塔吊被撞倒，吊臂恰好压在一部路过的客车、一辆出租车及一部两轮摩托车上，致使18人受伤
4、肇庆西江大桥遭撞击事件
10月15日18：02时，肇庆海事局接到水上事故险情报告，粤佛山工2038船10月15日由禄步开往肇庆，于17：50左右航经肇庆西江铁路大桥下航通航孔时，该船吸砂管龙门架触碰西江铁路大桥下航孔横梁，据初步堪查事故，造成铁路桥横梁受损，事故未造成人员伤亡，水域无污染，船舶未翻沉。
5、湖南平江大桥垮塌事故
2012年5月12日凌晨1时到上午7时，平江连续6个小时内普降特大暴雨，降雨量平均在150毫米以上，其中最多达209毫米，导致平江发生百年一遇的特大山洪灾害。连接余坪乡与梅仙镇的这座桥桥墩被巨大的山洪、从上游冲下的三艘挖砂船及树木等各类飘浮物撞击。当地村民称大桥桥体主要被从上游金田沙场漂下来的挖沙船撞伤。
6、南京万吨海轮碰擦长江大桥后沉没
2013年05月12日一海轮碰擦南京长江大桥六孔、七孔之间的桥墩后，在大桥下游3.5公里处的北岸岸边浅滩处附近水域沉没，船上18名船员全部获救。
7、江苏盐城跨河大桥遭船队撞击倒塌
2010年12月25日下午，江苏省盐城市盐都区秦南镇境内的一座长约60米的跨河大桥，遭到船队撞击后轰然垮塌。垮落的桥面砸向正在通过桥下的船舶，万幸的是，事发时垮塌桥面并无行人，事故没有造成人员伤亡。
桥梁被撞引发的经济损失
| 损失分类
| 细节描述 |
| 桥梁拥有者的损失
| ①桥梁损坏部件的抢修费用；②桥梁维修或更换费用。如果是收费通行的桥梁，则在维修或更换期间收益的损失；③由事故带来的更多的维修或更换要求的附加费用。 |
| 桥梁使用者的损失
| ①丧失生命；②车辆和货物的损失；③对死难人员用一定数额的费用代替，则死难人员的损失可用经济损失的形式表示。 |
| 船舶拥有者的损失
| ①失去生命；②抢救船只的费用;③船只维修或更换的费用;④在维修期的货物；⑤在维修期的收益损失；⑥损失桥梁拥有者和使用者的索赔费用;⑦安全保险费的增长。 |
| 对工业、贸易和社会造成的间接后果
| ①公路和铁路的不方便费用；②桥梁或船只的破坏阻塞了一条重要航道，使港口中断使用的费用;③在重要时间内由于交通运输破坏引起的商贸和公益方面的损失。 |
| 环境的破坏
| ① 除费用;②自然恢复费用;③长期生态破坏。 |
撞击事件中，煤粒的泄漏、石油的泄漏会引发水体污染，水生植物、动物死亡以及长期生态污染。
综上所述，从安全上、经济上以及环境保护上来看，船桥碰撞及桥墩防撞设施研究具有极大的现实意义。
1.桥墩防撞设施要求
防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行。陈国虞提出桥墩的防撞设施应满足:
(1)兼顾水运、桥梁和航道等几方面的利益；
(2)满足通航要求；
(3)能够适应水位变化的要求；
(4)吸收能力大；
(5)撞后恢复，能够多次使用；
(6)安装运输方便；
(7)不因防撞设施产生新的问题；
(8)价格便宜。
2.桥墩防撞设施分类
有按照船舶冲撞能量的吸收方法分类：弹性变形型、抗压变形型和变位型。有也有按照设置场所分类的：直接构造（设施与桥墩相连安装）和间接构造（距离桥墩安装）。综上，目前国内外普遍选择的分类是由80年代日本的岩井?聪的分类法:1) 直接构造：弹性变形型:护舷方式、绳索方式；压坏变形型:缓冲体方式；变位型:重力式。2) 间接结构:弹性变形型:桩方式；压坏变形型:沉箱式、人工岛方式；变位形:浮体系泊缆方式。
防撞结构
直接构造弹性变形型——缓冲材料方式
1）防撞原理
直接弹性变形型防撞设施依靠结构或材料的自身恢复弹性变形的能力转化并释放撞击能量，同时因使用材料或结构的弹性和柔度较大，可以延长撞击时间，从而减小撞击力，达到保护船及桥梁的作用。
2）结构形式
缓冲材料结构方式很多，有橡胶或钢制作的圆型、弓型、槽型、空气型等异型构件和用木材制成的浮箱结构。
3）优缺点
优点：设置所需水域小；安装及维护管理较容易；对桥墩所处的地质条件要求不高。
缺点：吸能小。
4）改善方法
我国已经研究出了一种能同时保护船和桥墩的吸能防撞器，且能重复使用，其结构是由内摩擦角较高的钢丝绳紧密堆垒压接而组合成的，吸能效率为60%，变形恢复80%。
直接构造抗压变形型——缓冲体方式
1）防撞原理直接抗压变形型防撞设施的工作原理是靠设施的压屈、弯曲破坏来吸收冲撞能量。
2）结构形式设施多采用钢箱格的结构，一方面利用箱格板梁的塑性变形，大量吸收碰撞能量；另一方面利用箱格结构的刚度较实体结构为低，可减小冲击荷载。
3）优缺点
优点：对高能量的激烈碰撞能起到较好的防护作用；
缺点：装置随抵抗能量的增大，自身和船舶的损坏也越严重。顾永宁教授对箱式塑性防撞装置的撞击问题进行了有限元数值模拟，得出直接抗压变形型防撞装置一般只保护桥梁而不保护船的结论。
4）改善方法
为了减少撞击中抗压变形型防撞设施和船舶的损坏，最近几年建成的大能量防撞设施大多采用抗压变形型防撞设施和直接弹性变形型防撞设施联合使用的形式。前者一般附着于桥墩作为后者的支撑，并阻止船舶对桥墩的深度破坏，后者主要用于改变船舶的撞击方向并降低船舶的撞击力来保护前者。如我国黄石长江大桥管理局设计的可随水位涨落而自由升降的柔性防撞护套。
直接构造变位型——重力方式
该方式由重物及其支撑结构组成。其防护的主要机理是利用摩擦力或重力产生的复原力使重物来回移动，从而把船舶的撞击能量转化为重物的势能和重物周围水的动能。该种设施规模大，冲撞时的反力大，宜设在较开阔的水域，可抵抗中型吨位船舶的撞击。由于直接构造变位型防撞设施需要重物的支撑，且维护管理较复杂，碰撞损坏后维修困难再加上造价较高，此种类设施不常用。
间接构造弹性变形型——桩群方式
1）防撞原理利用桩群的联合弹性变形缓冲吸收船舶的冲撞能量，为适应高能量撞击防护的需要，在桩的顶部互相联接，以使整个防护系统共同变形来吸收船舶动能。另外，还可将更多的单桩合成一根桩，并将桩顶用横梁或锚链联系起来以便共同受力。
2）结构形式按照桩的材料使用方式，桩方式防撞装置可分为木桩群、钢桩和砼桩群等结构形式。
3）优缺点
优点：桩与桩的联合或与其它防护设施的共同使用后，能抵抗比较大的船舶撞击；柔性好，对船舶与桥梁均有较好的保护；对设置水域大小要求不高，能满足各种水深及基础的需要。
缺点：能量吸收性通常不高，维修困难。
间接构造抗压变形型——薄壳筑沙围堰和人工岛方式
该类装置主要有薄壳筑沙围堰和人工岛方式：其防护机理是靠材料的压缩、屈曲变形破坏来吸收撞击能量。
1）薄壳筑沙围堰
薄壳筑沙围堰是针对大型船舶碰撞而设计的，独立于墩身布置，受到船舶撞击时，在撞击力作用下，锚固在河底的钢板桩被拔出，围堰和船舶的构件屈曲变形、破裂和崩溃，围堰内部的填充材料充分摩擦并部分外泄，从而达到大量吸收撞击动能的目的。
2）刚性人工岛
刚性人工岛防护主要是靠在船舶撞击到桥墩之前使其搁浅停止而对桥墩进行保护的。
3）优缺点
优点：对桥梁保护很好。
缺点：规模、质量大；对建造的水深和河床基础要求较高，所占航道多，压缩过水断面，增大流速，加剧河床冲刷；船舶和防撞设施破坏大；碰撞后维修工程大。
2. 研究的基本内容与方案
2.1设计的主要内容
（1）方案设计
根据国内外研究经验，我选择采用组合材料建造浮式防撞结构。
（2）技术设计
考虑模型建立，边界条件，载荷大小，载荷的施加等，对保护措施结构进行设计计算
（3）结构计算及验算
运用大型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
（4）毕业设计说明书的编写
完成毕业论文，12000字以上
（5）外文文献的编译。
完成英文文献资料翻译一份
2.2设计目标
随着水上航运业发展，通航事故时有发生，同行安全措施的研究迫在眉睫，本次毕业设计拟进行龙江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
2.3拟采用的技术方案及措施
首先采集桥梁基础资料，地质水文，桥形图，代表船型。计算船桥概率计算和船撞力计算。再比较桥墩抗撞力。对桥梁损伤程度和概率进行评估，再又根据性的设计浮式复合材料防撞设计，运用有限元程序ANSYS，模拟防撞设施安装后的船撞力和桥梁损失评估，是否满足要求，如果不符合再重新设计和计算
3. 研究计划与安排
1-2周，毕业设计调查，完成开题报告
3-6周，收集阅读有关刚边坡加固和防撞保护等相关材料，撰写进展综述
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. 参考文献（12篇以上）
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》
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》
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》
