摘 要

随着我国综合国力的显著增强，交通运输事业的蓬勃发展，越来越多的跨海、跨江、跨河大桥不断新建。与此同时，船舶逐渐向着高速化、大型化的方向发展，船舶撞击桥梁的事故时有发生，而一旦发生就会造成难以估量的后果，为了减小碰撞事故发生时的损失，保障人民的生命和财产安全，对船舶撞击桥梁结构以及防撞设施进行研究具有极其重要的现实意义。

本文总结了一些目前国内外对防撞装置的研究现状，归纳了国内外常采用的船撞力计算公式，以大广高速桥为例，采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对一艘1000吨级船舶撞击桥墩进行了数值仿真分析，将得到的船舶最大撞击力与规范计算的桥墩最大抗撞力进行比较，得出桥墩需要增加防撞装置的结论。接着建立了防撞钢套箱模型，再次进行了船舶撞击防撞钢套箱的数值仿真分析，将两次计算结果进行对比，分析表明：该防撞钢套箱有效的减少了船舶和桥墩受到的最大撞击力，既降低了船舶受到的撞击损害，又保护了桥梁，是一种有效的防撞装置。

关键词：船桥碰撞；防撞装置；有限元仿真

Abstract

With the remarkable enhancement of China's comprehensive national strength and the vigorous development of transportation, more and more bridges across the sea, river and river are being built. At the same time, ships are gradually developing towards the direction of high speed and large scale. Accidents of ships hitting bridges happen from time to time, and once they happen, they will cause incalculable consequences. In order to reduce the losses in collision accidents and ensure the safety of people's lives and property, it is of great practical significance to study the ship hitting bridge structures and anti-collision facilities.

In this paper, the research status of anti-collision devices at home and abroad is summarized, and the calculation formula of ship collision force commonly used at home and abroad is summarized. Taking Da-Guang high-speed bridge as an example, the finite element software ANSYS/LS-DYNA is used to carry out numerical simulation analysis on the collision of a 1000-ton ship against the pier. The maximum collision force of the ship obtained is compared with the maximum collision resistance of the pier calculated by the code, and the conclusion that the pier needs to be provided with anti-collision devices is drawn. Then, the anti-collision steel box model is established, and the numerical simulation analysis of the ship impacting the anti-collision steel box is carried out again. Comparing the two calculation results, the analysis shows that the anti-collision steel box effectively reduces the maximum impact force on the ship and the pier, not only reduces the impact damage on the ship, but also protects the bridge. It is an effective anti-collision device.

Keywords：Ship-bridge collision；Anti-collision device；Finite element simulation

目录

摘要 1

Abstract 2

目录 3

第一章 绪论 5

1.1研究背景与意义 5

1.2.国内外研究现状 8

1.2.1桥梁防撞设施的分类 8

1.2.2桥梁防撞设施的研究现状 8

1.2.3桥梁船撞力计算公式 9

1.3本文所做主要工作 13

第二章 规范计算及有限元分析 14

2.1桥墩最大抗撞力计算 14

2.1.1顺桥向撞击上部实体结构 16

2.1.2顺桥向撞击下部箱型结构 16

2.1.3横桥向撞击上部实体结构 16

2.1.4横桥向撞击下部箱型结构 17

2.2有限元软件介绍 17

2.3船舶有限元计算模型 18

2.4 桥墩有限元计算模型 18

2.4.1单元类型及材料参数 18

2.4.2网格划分 18

2.4.3约束设置 19

2.4.4建立接触 19

2.5数值模拟结果分析 20

2.5.1撞击能量时程曲线 20

2.5.2撞击力时程曲线 20

2.5.3应力云图 21

2.6本章小结 23

第三章 桥梁防船撞钢套箱结构规范设计 25

3.1基本资料 25

3.2外板及内底板 25

3.2.1底板 25

3.2.2舷侧外板 26

3.3强力甲板 26

3.4单底骨架 26

3.4.1底肋骨 26

3.4.2底部纵骨 26

3.5舷侧骨架 27

3.5.1肋骨 27

3.5.2舷侧纵桁 27

3.6甲板骨架 28

3.6.1甲板横梁 28

3.6.2甲板纵骨 28

3.6.3甲板纵桁 29

3.7平面水密舱壁板 29

3.8垂直桁 30

3.9本章小结 31

第四章 防撞套箱的碰撞计算与分析 32

4.1碰撞仿真有限元模型的建立 32

4.2数值仿真结果及其分析 32

4.2.1撞击能量时程曲线 33

4.2.2撞击力时程曲线 33

4.2.3应力云图 35

4.3本章小结 36

第五章 结论与展望 37

5.1本文主要结论 37

5.2对未来研究展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

随着我国综合国力的显著增强，交通运输事业的蓬勃发展，越来越多的跨海、跨江、跨河大桥不断新建。根据2018年交通运输部交通运输行业发展统计公报[1]，2018年底全国公路桥梁共计85.15万座、5568.69万米，其中包括特大桥梁50853座、902.69万米，大桥98869座、2637.04万米。与此同时，船舶逐渐向着高速化、大型化的方向发展。虽然桥梁可以越过不良地质和山涧，从而使通行更加便捷，但同时桥梁也是船舶航行的障碍，因此，船舶撞击桥梁结构的事故时有发生，后果也越来越严重，轻则使桥梁结构受损，使用寿命减少，维修费用增加，重则造成桥梁垮塌，船毁人亡，直接危害到水路的安全运行。

近年来，船舶撞击桥梁的事故在全世界范围内多次发生，在造成直接的、巨大的经济损失的同时也产生了间接的、恶劣的社会影响。