桥墩防船撞系统关键无量纲参数

桥墩防船撞系统关键无量纲参数

郭丽娜

云南工商学院651700

【摘要】为了快速评估桥墩防撞装置的实际效果，给出一个根据实际情况建立的无量纲化简化模型，对此模型进行计算并将计算结果与大规模实体模型的仿真结果进行比较表明：简化计算得到的桥墩以及轮船所受的最大撞击力比实体仿真结果要高，但撞击力时程曲线的形状与仿真结果基本一致。在一定程度上，相对简单的计算模型可以用来近似地估计真实碰撞的响应。

【关键词】船撞桥；无量纲参数；简化模型。

1引言

船舶撞击桥梁的事件愈来愈多，严重威胁着人们的生命安全与财产安全。比如，从1981年至1990年，在美国有2418座桥梁遭到商用船舶撞击。设计既能保护桥梁又不导致船舶受到严重损坏的防撞装置受到广泛的重视。到现在为止，有关桥梁防撞装置的标准多建立在经验或者简化的理论之上，对可靠确定防撞装置的防撞效果有局限性。另一方面，由于进行真实的船桥碰撞实验耗资巨大，通常在设计过程中采用船桥碰撞数值仿真方法来确定装置的防撞效果。结果表明：简化模型能够大大减少工作量，为初步设计防撞装置提供参考资料，但也具有由于忽视了结构非线性局部塑性变形以及应力波效应带来的一些明显不足。本研究为探讨船-防撞装置-桥墩作用机制提供了一些深入了解。

2考虑船体的几何尺度效应的碰撞分析模型

2.1模型及其基本控制方程的建立

图一桥墩防船撞系统的简化分析模型（考虑船体几何尺度效应）

船体等效为一个细长刚体，其质量为M，质心转动惯量I，质心到船头距离L。船体沿水平方向以速度平动，在时刻船头撞到具有接触刚度k’的外钢围m上。撞击之后船体将在水平撞击力作用下平动和转动。任意时刻t船头水平位移为，质心水平位移为，围绕质心转角为，外钢围水平位移为。

由于在该模型中考虑了船体的尺度效应，船体在碰撞过程中既发生平动又发生绕其质心的转动，所以就船体而言，要对其分别建立质心运动方程（也即船体平动方程）及转动方程。而船体与外钢围之间的接触力表达式以及外钢围m的运动方程仍与3.1节得出的一致。从而该模型的基本控制方程也即初始条件如下：

船体与外钢围之间接触力：

最后把上式代入式（8）可得船体总运动方程：

图二条件下，偏转系数取不同值时的一系列桥墩撞击力时程曲线

3考虑粘性效应的碰撞分析模型

3.1模型及其无量纲基本控制方程的建立

如图八所示，此模型是在图六所示模型三的基础上，在桥墩与外钢围之间又增加一个粘壶。目的是通过这样的模型来分析粘性效应对整个防撞系统的影响。

3.2粘性效应对桥墩所受撞击力的影响

参考文献：

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[7]杨黎明周风华王永刚等.《杭州湾跨海大桥固定式柔性耗能防撞装置研究设计——第十四册——副册：数值计算书》.宁波:杭州湾大桥工程内部资料，2008

[8]周风华杨黎明.“船墩防船撞系统简化分析模型和关键无量纲参数”，宁波大学船撞桥研究报告，待发表