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装配式内河高等级航道船撞桥防护装置研究

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 225次

摘要:针对现有各种船撞桥装置的缺陷,并通过参考大量船撞桥事故概率研究,对内河航道交通安全提出了关于装配式内河航道防护装置的构造设想,并在结构、材料、运作机理方面做出基本设计,保障内河运输安全,提倡低碳航运理念。

关键词:桥梁,内河航道,防撞,可伸缩支架,复合材料

 

0引言

近年来,我国的桥梁建设快速发展,尤其是大型桥梁的设计建造越来越多。在设计初期,桥梁的防撞问题是需要关注的重要点,如果不设置适当的防护装置,桥墩抗船舶撞击的能力较弱,一旦此类事故发生,将造成严重的后果。论文主要针对目前国内外船撞桥保护装置的优缺点、存在的问题及适用范围,提出一种装配式内河航道防护装置,该装置体积小、造价低、低碳环保、对船舶损伤小、日常维护维修简单,具有一定的实用价值。

 

1作品背景

1.1船桥碰撞风险的研究概况

    桥梁遭受船舶撞击概率的计算是船桥碰撞安全评估的核心内容之一。目前各国在评价碰撞事故方面多采用著名的“1:29:300”法则,即同一座桥梁在发生 330 次事故中有 300 次未造成伤害、有 29 次造成轻伤害、有1次造成重伤害。根据事故调查和统计,普遍认为这一假定是成立的,因而许多国家都在采用。此法则由美国安全工程专家海因里希在 1931 年经过对 5000 例的工业事故的统计总结得出。

近年来随着科学技术的发展,出现了将人工神经网络技术应用于船撞桥风险的评估中。出现了船舶的运动预报、螺旋桨设计、船舶避碰等应用实践。人工神经网络是一种模仿人脑的具有学习能力和判断、计算、推理能力的系统。姚杰等人将模糊数学中的模糊逻辑与人工神经网络结合起来,用于船舶碰撞危险度的评价。马广等人将神经网络技术应用于南京长江大桥的船撞力的识别。戴宇彤等鉴于人工神经网络的特点较适合船撞桥概率问题的分析和掌握了大量的船撞桥事故数据的基础上,首次将人工神经网络用于船撞桥概率的评估中,取得了良好的效果。

1.2船桥碰撞力学的研究概况

    目前外部与内部碰撞力学之间,也存在着相互交叉的趋势。根据船船碰撞的分类方法,将船桥碰撞力学的研究分为内部动力学和外部动力学两个类别。

1) 外部碰撞机理

    外部动力学主要研究撞击船舶的运动以及被撞桥梁结构以及附连水的相互作用。外部动力学分为解析法和数值仿真法。数值解法中具有代表性的是 P.T.Pedersen 方法和梁文娟计算方法。

Petersen分析了二维情况下的船舶碰撞运动过程。梁文娟的将上诉方法由二维成功推进到三维,她在研究中考虑了传统的 6 个自由度上的运动以及结构变形的三维特性。

2) 内部碰撞机理

    相对于外部碰撞机理,内部碰撞机理受到的重视、关注一直较多,它通过研究一只船舶船艏及侧壳的各个部件的吸能能力,从而研究单独一只船舶的行为。内部碰撞机理的理论研究方法包括:经验法、简化解析方法和非线性有限元法。我国学者刘建成、顾永宁于 2001 年采用非线性有限元程序仿真计算了一艘3 万吨级油船与桥墩正碰问题。计算结果反映了船桥碰撞过程中的一般现象和规律,对船桥碰撞仿真计算具有一定的指导意义。

1.3桥墩防护装置的研究概况

    20 世纪 80 年代,日本学者岩井·聪提出的防撞设施分类方法最为系统和详细,是目前公认的防护装置分类方法。他按照防护装置与桥墩设置是否相连以及离开桥墩的距离将防护装置分为直接构造和间接构造两类,具体如表1;目前几种常见的桥梁防撞装置,具体如表2。

1 防撞设施分类方法

直接构造

弹性变形型:护舷方式;绳索方式

压坏变形型:缓冲体方式

变位型:重力式

间接结构

弹性变形型:桩方式

压坏变形型:沉箱式;人工岛方式

变位形:浮体系泊缆方式

 

2 常见的桥梁防撞装置

 

适用范围

优点

缺点

刚套箱

围堰施工

船舶吨位大

撞击后吸能大

施工简易

耐腐蚀性较差

船损较严重

护舷

抵抗船舶撞击

防撞辅助设施

简装耐用

维护费低

造价偏高

撞击后吸能小

绳索

 

 

船舶吨位较小

布置于防撞设施的周围

简装易修

维护费低

可抗高能撞击

对钢材的防腐性能要求较高

木结构

造价低

船损较小

抗撞能力较差

维护频繁高

成本偏高

混凝土结构

跨海桥梁

船舶吨位较大

施工简易

耐用持久

船损较大

难修复

集群桩

船舶吨位小

水深适中的区域

船损小

成本高

受水深的限制和河床冲刷的影响

独立桩

船舶吨位大

水深不大且冲刷不强的水域

抗撞能力较强

易装耐用

1.4夹层结构的研究概况

    夹层结构的开发使用至今在国外已有十年以上的时间,由于夹层结构的研发涉及面广,专业跨度大等因,目前国内尚无人研究开发将其应用于桥墩的防护装置。 在理论上,对于夹层结构问题的研究,大多数都以 40~50 年代建立起来的Reissner,Hoff 和 pycakob 理论为基础,这三种理论对求解均匀材料面板的层结构比较有效。

廖祖伟、刘情杰和田志敏对应用于地下防护结构的钢板-聚氨酯夹层结构进行了野外抗爆特性试验研究。结果表明,夹层结构抗爆能力强,吸能特性好,具抗多次重复爆炸破坏而不丧失使用功能的特点。孙亮,齐明思,王俊元,赵奇采用冲击实验的方法对泡沫铝-聚氨酯复合材料的力学性能进行分析,经过对比,泡沫铝-聚氨酯复合材料结构的缓冲特性优于泡沫铝单体。

 

2设计思路

基于大量的文献资料、专家建议及实地调查,探讨归纳现状、热点及难点,证实该装置对支持内河航运安全发展具有现实意义。为提高该装置的稳定性及灵活性,适应不同形状、不同尺寸的桥墩,设置若干常用尺寸支架组,根据近年水位范围调整高度,首创可伸缩式三棱柱连接支架。综合了其他学者的研究,采用新型聚氨酯泡沫铝复合材料用于制作装配式钢-聚氨酯夹层板,改善该装置的耐撞性能。

 

3设计方案

3.1装置结构解析

如图所示,装配式内河航道船撞桥防护装置,包含桥墩(1)和防护装置(2),其特征在于桥墩的四周包裹有柔性填充物(3),柔性填充物的外表面固定套接有连接件(4),连接件上间隔相等的设置有插槽(41);防护装置通过插槽与连接件活动连接,防护装置由三角形支架(21)、滚筒立柱(22)和滚筒(23)组成;滚筒立柱贯穿于滚筒(23)的内腔,滚筒的外表面还贴合有反光条(231);滚筒立柱的内部设置有弹簧连接体(221),弹簧连接体的上下两端均与滚筒立柱固定连接;三角形支架由圆形的连接头和两个相互对称的三棱柱(212)组成,三棱柱的一端与连接头(211)的表面一体式固定连接;连接头旋转式套接在滚筒立柱上,连接头的上下两端还均通过哑铃状的盖帽进行定位;三棱柱的另一端还固定连接有弯折的挂钩(213),挂钩与连接件上的插槽对应连接。

 

 

1 圆形桥墩配置俯视图                   图2 连接支架图

其中,防撞单体包含:三角形支架、滚筒立柱和滚筒组成,其架设在滚筒立柱上,滚筒作为失控船舶与护栏的接触介质,滚筒的材料为新型钢-聚氨酯泡沫铝复合材料,可减缓失控船舶的横向冲击过程,而且,滚筒在一定冲击下可绕滚筒立柱旋转,带动失控船舶导向恢复到正确的行驶方向;单个滚筒配有两对对向连接挂钩,其弯折在所述的滚筒立柱上,且与所述的插槽相对应,挂在支架的插槽内,进而围在承台或桥墩一周,同时滚筒立柱为可伸缩式,内部的弹簧连接体在装配好后对连接挂钩施加一定拉力,保证了连接处的稳定性,提高了支架连杆的抗冲击性,延长了装置的使用寿命。所述滚筒的表面贴有反光条,可在夜间反光以显示防撞装置的位置。

 

 

 

 

 

 

 

 

3 防撞单体侧视图

3.2装置创新特色分析

3.2.1若干类型号的三角形连接支架及支架组灵活配对

    为适应不同承重能力,不同尺寸的桥墩,拟采用图示钢支架组,在若干依次相连的支架组上间隔适当的距离,设置铰连接点以安装相匹配的图示三角形连接钢支架,该连接件可以旋转改变三角形顶角的角度,从而更为适当地贴合桥墩表面,同时利用了三角形稳定性的原理。该连接件的另一端开口用于连接新式挂钩。

3.2.2伸缩式对向挂钩装配方式(弹簧)

    在三角形连接支架的自由开口端,拟采用图示挂钩。该挂钩采用对向方式而非同向,主要是为了避免水的浮力对挂钩的影响,且如若同向的挂钩式采取连接件固定,可能会受流水、砂石冲刷,因电解池化学作用而腐蚀,加了连接件也不便于保养维护。为了克服此缺点并汲取同向挂钩易安装和拆卸的优点,拟采用适合强度的弹簧连接在挂钩圆柱体部分的内部从而达到目的。挂钩的两头和圆柱体可无缝连接的,安装时先将防撞滚筒套在圆柱体上。

3.2.3钢-聚氨酯泡沫铝复合材料夹层板滚筒立柱型防撞单体

-防护装置碰撞过程遵守能量守恒定律,船舶的动能主要由防护装置和船艏以塑性变形能的形式吸收。通过设置防护装置大幅减小了碰撞力,起到了保护桥墩的作用,同时撞击船舶的损伤变形得到了控制。改良传统钢箱型防护装置为滚筒立柱型,导向性能和缓冲性能均可得到突破性提升。采用在结构和功能两方面都体现出优越的特征的新兴复合夹层结构,并由在抗冲击吸能方面具有更大优越性的聚氨酯泡沫铝作为芯材。

4相关实验数据

因实验条件有限,在参考大量文献的基础上引用他人的完善数据来说明“3E”装置的可行性。如图4所示,为有无保护装置的桥墩受到船体撞击后的对比图线数据,分为正撞,45°撞击,和22°斜撞的对比图。由此可得,桥墩保护装置能够极大减小船撞桥对船舶和桥墩的破坏程度,认识到船撞桥防护装置对于后期维护的重要性和必要性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 数值模拟船舶撞击桥墩过程

通过对比分析泡沫铝和其他材质的性质,从而得出泡沫铝材料具有优越的性能,适用于船撞桥防护装置的设置。在物理性质方面,由图5可知 ,泡沫铝在不同泡沫材质中的密度处于中下位置,密度较小,在水中可以漂浮,因此能够减轻固定装置的负担。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5  不同泡沫相对强度与相对密度的关系

泡沫铝和聚氨酯泡沫铝同在抗冲击吸能方面具有明显优势,而经研究发现,聚氨酯泡沫铝的性能较纯泡沫铝得到较大的提升。将泡沫聚氨酷材料填充到泡沫铝的孔隙中,结合了两种具有良好吸能性能的材料。谢卫红等人提出在一定范围内,当应变率和相对密度相同时,聚氨酯的含量越高其吸能也越大,但是达到一定量以后,吸能有所收窄;产生相同的应变时,聚氨酯泡沫铝吸能明显大于泡沫铝。

5结论

   论文针对船撞桥防护措施研究现状,提出了新型装配式船撞桥防护装置的方案,经过借鉴实验计算数据,总结特点如下:

1) 论文提出的装配式防护装置是一项同时具有主动性和被动性防护装置。采用荧光条预警设置使得在光线较暗时航行的船舶主动发现桥墩位置,从而避开障碍物。如若船舶不慎撞上桥墩,该装置的设置在减轻对船舶和桥墩的损害的同时,也能帮助船舶改变行驶方向;

2) 该装置简单实用,体积精巧,易于装卸,制造和施工经费相对较低,吸能性能优越,对船舶和桥墩损伤小,日常维护维修简单,低碳环保;

3) 该装置可应用于不同尺寸、形状的桥墩,适用范围广。

6作品模型照片

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

[1]孙振. 桥梁防船撞设施的比较研究.同济大学.2007.5

[2]刘欢. 泡沫铝材料的吸能与防爆特性研究[D].东北大学,2014.

[3]姜华,耿波,张锡祥. 桥墩新型防船撞装置防撞性能研究[J]. 振动与冲击,2014,17:154-160.

[4]谢卫红,杜红涛,李顺才. 泡沫铝与聚氨酯泡沫铝吸能特性对比[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2011,02:307-311.



黄西子,上海海事大学本科

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