船舶撞击下高桩连续梁桥倒塌机理与控制措施研究结题摘要

自20世纪60年代以来，世界各地航道桥梁受船舶撞击的事件屡有发生，事故往往造成桥梁破坏甚至倒塌，造成航道中断、环境污染等灾害后果，桥梁在船舶撞击下的安全问题已成为全球的研究热点。在本项目资助下，开展了以下研究内容： 1）以国道325广东九江大桥船撞倒塌事故为例，基于数值仿真研究了船撞作用下高桩基础连续梁桥的破坏模式与倒塌机理；2）建立了高桩连续梁桥在船舶冲击下破坏状态的实用预测方法，包括修正半波正弦撞击力时程概率模型与确定性模型、撞击力-撞深关系概率模型与确定性模型以及冲击谱方法，并给出了撞击力时程与撞击力-撞深关系样本的生成方法；算例分析表明本项目建立的实用预测分析方法具有较好的精度；3）研究了桥墩船撞性能指标的形式，完成了构件损伤程度的等级划分，并对在船舶撞击下结构性能的影响参数进行了灵敏度分析；通过钢筋混凝土柱的水平冲击试验校验了混凝土本构模型，通过数值仿真，研究了钢筋混凝土柱在不同冲击物质量、不同冲击速度下的性能，以转角为性能描述指标，采用转角速率对构件静力性能进行动力修正，建立了纤细混凝土构件性能指标模型，确定了模型参数；4）在桥梁防撞控制措施方面，采用数值仿真方法，分析了现有典型的桥梁防撞装置，全面讨论和评价了装置的拨转、耗能等削减撞击力的机制，澄清了现有一些不合理的认识；在上述工作的基础上，研发了预压缓冲消能防撞装置，采用数值仿真方法，对预压缓冲消能防撞装置的性能进行了评估；通过对预压缓冲消能防撞装置的组合圆形断面进行概念抽象，进一步提出了钢板-橡胶圈防撞装置，并建立了圆形断面的一般化设计方法，给出了详细的设计流程。 2100433B

以因船撞倒塌的325国道原九江大桥为背景，以满足我国跨航道连续梁抗船撞设计需求为导向开展研究工作：（1）采用模型冲击试验、碰撞数值模拟方法，研究揭示高桩基础-承台-柱式桥墩结构体系在船舶冲击下的破坏模式和破坏模式的机理，并结合对典型高桩连续梁桥进行的系统的精细化船撞数值模拟分析的结果，研究其连续倒塌的机理与主要影响因素，建立描述高桩连续梁在船舶撞击作用下破坏程度的性能指标和参数取值；（2）根据船舶撞击过程的样本统计，建立可以考虑角度、几何尺度等重要因素的船舶撞击桥梁的概率动力作用模型、参数、及作用样本的人工生成方法；（3）在桩、墩柱的构件破坏机理和破坏性能指标研究结果的基础上，发展高桩连续梁桥在船撞冲击作用下动力分析的理论与方法，实现其破坏模式和破坏程度的定量分析和预测；（4）研究提出避免该类桥梁局部船舶冲击破坏的构造措施及避免连续倒塌的结构措施。

船舶撞击力 ship impact force ：建筑学术语，指船舶靠岩时的动能，对靠船码头所产生的撞击作用。

船舶撞击力的确定是防撞设计的首要环节和基础,船舶撞击力选取是否恰当,直接影响桥梁结构的安全性和防撞方案的经济性。由于船舶与桥梁结构的碰撞过程十分复杂,与碰撞时的环境(风浪、气候、水流等)、船舶特性(船舶类型、尺寸、行进速度、装载情况及船首、船壳的强度与刚度等)、桥梁结构(构件尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等)及驾驶员的反应时间等因素有关,要确定船舶对桥梁的撞击力非常困难。 2100433B

偶然事件造成的撞击加载通常会造成充压管道失效，从而引起灾难性后果。管道抗撞技术的进一步发展迫切需要对其可能承受的复杂撞击工况以及具有普遍代表意义的响应模式进行深入研究。本项目拟采用系统试验、数值模拟、理论推导手段针对充压管道低速撞击行为开展研究。首先，针对撞击角度、位置发生改变的工况进行系统试验，通过解析管道变形、内压等变量的瞬态发展过程，探明撞击参数与响应模式之间的连接关系和相互作用机理。然后，基于试验数据和有限元参数分析，总结、归纳管道在撞击过程中内力、变形、能量等参数的分布特征和演变规律，揭示对应不同撞击工况的管道响应模式和失效机理。最后，针对高压管道整体变形特点，基于大变形动力学控制方程，发展考虑液固耦合效应并适用于管道分析的简化梁模型计算方法。本项目的研究成果将为全面、清晰的认识充压管道撞击行为提供试验和理论依据，同时也将为建立高效的管道安全性设计、评价理论提供新思路。