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1、桥梁防护装置首段结构的改进研究 摘 要 文章对原有桥梁防护装置首段结构进行改进，利用非线性动力学有限元软件MSC.Dytran对桥梁在船舶冲击荷载作用下的防护问题进行了数值仿真探讨，建立了船桥碰撞有限元模型，分析了碰撞过程中碰撞力改变、能量转换及结构损伤变形状况，并对改进前与改进后的结构进行了比较。 【关键词】船桥碰撞 防护装置 数值仿真 桥梁防护装置基本要求为对碰撞的船舶能量进行消能缓冲，使船舶不能干脆撞击桥墩，或使船舶碰撞力限制在平安范围内。防撞设施不能影响船舶的通航，占用航道范围尽量小。防撞设施制造、安装、修理经济便利，经久耐用、功能牢靠。为了达到上述目的，不少学者对钢套箱结构进行了优化
2、和改进。其中，武汉理工高校的探讨生罗容通过将套箱中的一般型材换为金属薄壁圆管，以改善结构的耐撞性，而且由于圆管易于制造成本低廉，可干脆降低工程预算。本文仅从垂向添加吸能单元方面对防护装置的耐撞性能进行探讨。 从“船桥碰撞桥梁防护装置的探讨”一文仿真计算结果可知：对于本文中的防护装置，由其能量曲线可知外板变形最大，而其汲取能量次之，并且防护装置损伤变形主要集中在受撞击区域。这预示着防护装置的抗撞实力的提高应着眼于易受撞击薄弱区域，大范围的结构增加是不必要的。 综上考虑，本文采纳泡沫的结构作为吸能元件垂直布置于外板表面，以提高外板的耐撞性降低撞深。 可以在最大碰撞力允许范围内对原防护装置添加吸能元
3、件，提高其能量汲取的实力。 本文将改进后的防护装置应用在桥墩的外围部分，借助非线性有限元程序MSC.Patran和MSC.Dytran软件，用一艘5000吨级油船，以8m/s的速度，与改进的防护装置发生正向垂直碰撞进行动态仿真模拟。通过对碰撞中吸能装置的整个作用过程的力学再现，与原钢结构防护装置进行比较，分析改进的防护装置的耐撞性能。 1 结构碰撞模型描述 分别采纳泡沫的结构垂向布置于防护装置的外板外侧。方管尺寸为400x400mm。方管间距限制在1.5m。 防护装置有关数据如下： 材料密度 =7.8x103kg/m3； 弹性模量 E=2.1x1011N/m2 ； 硬化模量 Eh=1.18x1
4、09N/m2 ； 屈服应力y=2.35x108N/m2 ； 泊松比 0.3； 最大塑性失效应变0.34。 Cowper-Symonds本构方程中两个材料常数取为D=40.4，q=5。泡沫塑料采纳工业包装中运用的一般低密度塑料，密度为1500Kg/m3，弹性模量6500MPa，泊松比0.5。 应力与应变的关系曲线可依据现有试验数据输入。见图1： 图1：应力-应变曲线 有限元模型中，泡沫塑料采纳8节点六面体单元，其他结构均采纳四边形壳单元，方管与泡沫塑料共用节点，以保证其变形协调。桥梁承台四周设计的防护装置结构见图2，改进后结构有限元模型见图3。 2 仿真计算结果分析 质量为5000t的刚性撞头以
5、8m/s的速度与改进后桥梁防护装置发生正面垂直碰撞，以撞击动能损失101%的时刻为碰撞结束时刻，整个过程持续1.5s。 2.1碰撞力分析 图4是碰撞过程中碰撞力的时序曲线。可以看出，改进后防撞结构的的碰撞力在碰撞初期比原结构有所增加，这主要是由于方管的添加增大了外板的刚度。最大碰撞力出现在1.3s时，约为22MN，随后碰撞力快速下降。改进后结构由于碰撞中失效构件增多，碰撞力曲线的较原结构非线性波动性更强。 2.2 结构损伤变形 图5为撞深与时间关系曲线。图6为垂向添加防护装置在碰撞结束时刻的损伤变形图。可以看到，与原结构相比，改进后结构的撞深有明显的下降。这主要是由于方管内填泡沫结构作为吸能元
6、件有效的增大了防护装置外板的能量汲取实力。因此，该结构对限制撞深，增大防护装置的利用率起到了很好的效果。 从图6中可以看到，变形的方管主要集中于刚性撞头碰撞区域，其他区域变形较小，这一点也可以从防护装置的碰撞应力分布云图中清晰的看到。因此主要从撞击变形大的区域进行加强，进而增大防撞设施的耐撞实力。 2.3能量汲取 图9为碰撞起先到1.5s过程中船舶动能随时间的改变曲线。可以看出，在碰撞初期改进后防护装置汲取的能量较原结构增加了13%。这表明内填泡沫的方管结构参与了能量汲取，有效的改善了外板的吸能实力。 图10给出了碰撞过程中各构件的能量改变曲线。从图中可以看到，泡沫变形汲取的能量特别有限，它所
7、起的作用不是作为吸能构件，而是改进方管的吸能特性。表1给出了各构件能量汲取状况。 通过表1可以发觉，横舱壁和甲板所汲取的能量占整个结构所汲取的总能量的85%。同时结合图10，不难发觉，在1.0s前，上下甲板所汲取的能量占整个装置的7380%，这跟“船桥碰撞桥梁防护装置的探讨”一文所得出的结论一样，在后半秒钟的改变，主要是甲板已经失去抵挡结构变形的实力，主要受到迎撞体横舱壁以及纵舱壁的影响，故出现横舱壁变形增大的情形。泡沫虽然汲取的能量不多，但是改善四周结构汲取能量的特性。 2.4 与原有模型比较 可以看出改进后的防护装置对整个结构的能量汲取起到了肯定作用。此结构除了自身汲取一部分能量，同时也增
8、加对整个防护装置的上下甲板以及横纵舱壁的吸能作用，进而提高了整个结构的吸能。因此可以推断此防护装置的结构参数、材料参数以及外部的碰撞参数对结构的耐撞性能都会有影响。 3 结论 防护装置是目前桥梁应对船舶冲击荷载的主要结构形式，因此合理的对套箱结构进行改进以提高其抗冲击实力是很有必要的。 本文通过在原结构外板上设置纵向泡沫作为吸能元件对原结构进行了改进。通过数值仿真计算得出以下结论： 改进后结构肯定程度上削减了最大碰撞力。 改进后结构提高了外板的吸能实力，达到的降低撞深的目的。其中甲板和横舱壁汲取的能量占较大比例。 采纳内填泡沫塑料薄壁方管作为吸能元件的设计，是利用金属元件构建防撞装置的胜利应用
9、，同时也证明白内填泡沫的确能变更金属杆件的塑性力学性能。泡沫虽然汲取的能量不多，但是改善四周结构汲取能量的特性。 添加方管吸能元件可以降低防护装置的撞深，但是未能有效的利用原结构，提高的碰撞性能不是太明显，可以适量改良防护装置的结构，进而提高整体结构的耐撞性能。 参考文献 1陆萍，周海波.船桥碰撞桥梁防护装置的探讨J.南通航运职业技术学院学报，2022. 2梁文娟，金允龙，陈高增.船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩碰撞C.第十四届全国桥梁学术会争论文集，2000. 3王自力，顾永宁.船体碰撞动力学过程的数值仿真探讨J.爆炸与冲击，2001，21：29-34. 4王自力.船舶碰撞损伤机理与结构耐撞性探讨
10、D.上海交通高校博士学位论文，2000. 5王自力，朱学军，顾永宁.船体结构耐撞性优化设计方法探讨J.中国造船，2000. 作者简介 1.陆萍，女，江苏省南通市人，现为南通航运职业技术学院船舶与海洋工程系讲师、工程师，硕士。 2.王勇，男，江苏省泗阳县人，现为中海工业有限公司船体车间主任助理，助理工程师。 作者单位 1.南通航运职业技术学院 江苏省南通市 226010 2.中海工业有限公司 江苏省江都市 225200 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页