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桥梁复合材料防撞土木工程设施优化设计研究

日期:2018年01月29日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:1357
论文价格:150元/篇 论文编号:lw201801282134101257 论文字数:34758 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义
随着我国基础设施的快速发展,跨越江河与海峡的桥梁数目急剧增多,根据相关资料显示[1],截止 2015 年底我国公路桥梁的数量已经有 77.92 万座,加起来是 4 万多公里。与此同时,中国的航运业也得到了迅猛的发展,全国内河航道通航总里程已达 12.70 万公里,其中长江水系通航里程数排第一,达到了 6.49 万公里,珠江水系次之;根据国内水上运输船舶拥有量的年代统计可以知道截止 2015年底我国水上运输船舶 16.6 万艘,船舶的载重量以及船速都在不断的增加,正是由于以上种种因素,使得船撞风险越来越大,船撞事故日益增多。据相关文献资料的统计介绍,全世界每年船舶撞击桥梁的事故都屡有发生,而且随着经济社会的快速增长和交通事业的迅猛发展,事故发生的频率也居高不下,不仅造成了大量的人员伤亡,而且也造成了巨大的经济损失和环境污染。特别是在高速公路、铁路和城市市区内的桥梁,因发生船撞事故而造成交通堵塞甚至中断所带来的间接经济损失更是无法估计。正是在这样一种情况下,为了减少船撞桥事故造成的经济损失和人员伤亡,逐渐发展起来了桥梁防船撞这样一门新兴的交界性小学科。近年来,我国发展了以下四种桥梁防船撞设计理念:一是一跨过江或河,江河中没有桥墩,完全避免船与桥墩发生碰撞的可能;二是水中墩选用能保护桥的防撞设施,该装置最好也能同时保护船舶;三是在桥梁规划设计阶段考虑的主动防撞理念;四是全桥防撞理念;五是应保均保理念,即由概率估算决定是否设置防撞装置[2]。有了这些理念,桥梁防船撞的问题便有了解决的办法。船撞桥问题经过三十多年的发展和研究,得出了不少研究成果,并且完成了AASHTO 桥梁船撞设计指南、欧洲统一规范 2.7 分册这两本比较系统的船撞设计规范或指南。我国对船撞桥问题的研究起步比较晚,近些年来,我国也开始将桥梁防船撞设计作为一个重要的课题来进行研究,规定凡是不能满足国际桥梁与结构工程协会指南的要求,桥梁的上下游两侧平直段的距离不满足 8 20L(L 为设计允许通航的最大吨位船舶的船长)的,都必须要设置防撞设施[3]。
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1.2 国内外船撞事故介绍
随着我国内河航运和海上航运业的迅猛发展,船舶的数量和载重量都在不断增加,这也就使得船撞桥问题变得越来越突出,碰撞事故不仅造成了巨大的经济损失和人员伤亡,而且还带来了恶劣的政治影响和严重的环境破坏,以下对国内船舶碰撞桥梁的几起典型事故进行介绍。武汉长江大桥是我国一座重要的公铁两用重要桥梁,自 1957 年 10 月 15 日建成通车以来,59 年内被撞 77 次。2011 年 6 月 6 日,“长江 62036”号船队拖 4空油驳通过武汉长江大桥时与大桥七号桥墩发生碰撞,船头部分损坏严重,所幸无人员伤亡和原油泄漏[4],如图 1-1 所示。2007 年 6 月 15 日上午,一艘长 70 多米排水量为 2000DWT 的运沙船满载河沙从佛山高明开往顺德行至九江大桥附近水域时,由于大雾天气,视线比较模糊,导致船舶偏离主航道,最终造成船舶与桥墩相撞,200 米以上桥梁段坍塌。此次事故还造成了一艘中型运沙船沉没,9 人死亡,4 辆车落水。这也是我国有史以来最严重的一次船撞桥事故[5]。
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第二章 纤维增强复合材料的性能研究

2.1 前言
基本上各个领域的发展,与性能优异的新材料的应用的发展密不可分,主要是由于材料本身的力学性能对结构的整体性能影响很大,所以在研究结构整体性能之前,对其材料的性能的研究就显得十分必要。纤维增强复合材料(FRP)在上个世纪 40 年代被人们所发现。它是与树脂基体材料经缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料,具有强度高、质量轻、抗腐蚀和耐疲劳等优点。纤维分有机纤维和无机纤维两种,抗拉强度和弹性模量都较高。它具体可以分为碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFHP)、芳纶纤维(AFRP),还有其他诸如聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等;常用的基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂等[24]。本文研究的复合材料防撞设施的材料主要包含三类,纤维增强材料、乙烯树脂和填充发泡体硬质聚氨酯泡沫。下面主要介绍这三种材料的一些力学性能。
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2.2 纤维增强复合材料
玻璃纤维增强塑料(GFRP)是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺,制作而成的一种功能型的新型材料。具有重量轻,比强度高,耐腐蚀,电绝缘性能好,热绝缘性好,以及容易着色,能透过电磁波等特性。GFRP 的强度来于玻璃纤维,与玻璃纤维相比,不论是强度还是弹性模量 ,树脂都要小很多,但是 GFRP 的弯曲、层间剪切及平行压缩度,在很大程度上又决定于树脂,对于拉伸强度,虽然取决于玻璃纤维,但仍然不能忽视树脂的作用。为了测试纤维增强复合材料在长期遭受太阳光照射后的老化情况,在实验室进行了纤维复合材料面板的紫外老化试验,对老化后的面板进行了拉伸强度与弹性模量的测试,并与老化前试件的强度与模量进行对比。为了测试复合材料在长期使用后的老化情况,本试验采用的方法是在实验室利用紫外荧光灯连续高温加速老化 15 天。采用的试验设备是 T8 一体化超级光荧光灯,电子万能试验机 Instron 3365-5kN。试验依据为 GB 2573-81《耐气候性能测试—玻璃钢自然暴晒老化试验》 ;GB/T 1447-2005《玻璃纤维增强塑料拉伸性能》。
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第三章 套箱内缓冲筒的布置形式对其防撞性能的影响............22
3.1 前言......22
3.2 船桥碰撞及防撞设施的控制方程和数值计算方法............22
3.3 有限元模型的建立............ 25
3.4 各计算工况仿真结果及分析....... 29
3.5 复合材料套箱的压缩刚度...........37
3.6 本章小结........ 44
第四章 基于数值仿真的复合材料套箱结构优化设计.......45
4.1 前言......45
4.2 抗撞性优化指标的定义..... 45
4.3 复合材料套箱优化问题的求解方法......46
4.4 复合材料防撞套箱的结构优化设计......50
4.5 本章小结........ 66
第五章 工程实例应用分析.......67
5.1 工程概况........ 67
5.2 金沙江大桥船撞数值模拟...........69
5.3 桥墩截面内力计算............ 75
5.4 结构承载力验算.......76
5.5 套箱结构的优化.......77
5.6 本章小结........ 78

第五章 工程实例应用分析

5.1 工程概况

云川金沙江特大桥位于云南省昭通市绥江县境内,绥江县城东侧约 3.5 公里的金沙江河谷上,为国家重点水利工程——向家坝电站蓄水淹没区(淹没水位381.0 米),电站蓄水期间被淹没后,是绥江县与四川省屏山县相连接的金沙江上的唯一桥梁。桥位处江面宽 585 米,路面设计标高距江面(向家坝电站蓄水后水面)最大高度 29 米;全桥处在直线上,在主跨跨中设双向桥面纵坡 1.061%,桥宽 13 米,桥跨布置为:90+190+228+123+60 米连续刚构体系,大桥起止里程:K0+207~K0+925,桥梁全长 718 米。桥型布置和复合材料套箱布置图见图 5-1,建成后的桥梁全景见图 5-2。主梁采用 C55 混凝土,桥墩采用 C50,承台和桩基采用 C30 混凝土。大桥 1#主墩墩柱为双肢实心墩,2#、3#主墩墩柱为双薄壁空心墩, 4#主墩墩柱为单薄壁空心墩 ,最小墩高 32.465m,最大墩高 102.633m。针对金沙江特大桥主通航孔两侧的 2、3 号桥墩进行防撞设计,根据对其航道通行船舶的统计,确定该桥桥墩的防撞代表船舶为 2000DWT。在 2、3 号桥墩布置 JKTX-H2500 型复合材料防撞套箱,降低防撞墩受到的船舶撞击力,使原结构与防撞套箱共同承担船舶撞击力,确保桥梁结构安全的同时又可最大限度的保护船舶。

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结论

本文以研究复合材料防撞套箱结构的尺寸优化为背景,以显示有限元分析软件 LS-DYNA 和高性能的数值计算软件 MATLAB 为依托,分别对三种不同防撞等级的套箱进行了船桥碰撞的数值仿真分析和优化分析,探索了不同缓冲筒的布置形式对其防撞性能的影响,优化了套箱结构的壁厚。现将本文所完成的主要工作与得出的主要结论总结归纳如下:
①通过实验的方法和对以往工程应用的研究表明,玻璃纤维增强复合材料在防腐蚀和耐久性方面具有明显的优越性,因此该复合材料防撞设施可应用于较恶劣的环境条件下。
②通过试验得出乙烯基树脂的拉伸断裂伸长率可达到 6.0%~8.0%,拉伸强度可达到 86MPa,弯曲强度可达到 140 MPa,它具有较高的机械强度和韧性,且在力学性能、耐腐蚀性上要比环氧树脂以及不饱和聚酯树脂要优越,同时在价格上也比较便宜,作为玻璃纤维增强复合材料桥梁防船撞产品基体树脂是比较合适的。
③采用大型通用非线性有限元分析软件 LS-DYNA 对复合材料防撞套箱碰撞试验进行数值模拟分析,并设置合理的计算工况。将计算所得结果从船撞力、套箱撞击深度等各个方面进行汇总分析,得出在各种不同防撞等级防撞套箱的防护下,缓冲筒的三种布置形式的动力时程响应,同时对套箱进行了拟静力计算,得出了各防撞等级下缓冲筒的不同布置形式的压缩刚度,并通过仿真计算提出了复合材料套箱刚度与船艏等效刚度之比大致为 0.4≤λ≤0.8 时,套箱的防撞性能最佳,此时船撞力折减率约在 30%~50%之间,套箱局部压缩率范围约在 35%~50%。最后从数值仿真的动力响应和压缩刚度的角度得出了