不同材料桥墩防护装置性能对比研究.pdf

International Journal of Mechanics Research 力学研究力学研究,2023,12(2),97-108 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ijm https:/doi.org/10.12677/ijm.2023.122010 文章引用文章引用:赵彦龙,王进,张思齐.不同材料桥墩防护装置性能对比研究J.力学研究,2023,12(2):97-108.DOI:10.12677/ijm.2023.122010 不同材料桥墩防护装置性能对比研究不同材料桥墩防护装置性能对比研究 赵彦龙赵彦龙，王王 进进，张思齐张思齐 西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 收稿日期：2023年4月27日；录用日期：2023年5月4日；发布日期：2023年6月21日 摘摘 要要 桥墩防护装置是船桥碰撞事故中一种最直接有效的安全防护措施，可以消耗掉撞击过程中强大的撞击力，桥墩防护装置是船桥碰撞事故中一种最直接有效的安全防护措施，可以消耗掉撞击过程中强大的撞击力，以达到保护船舶和以达到保护船舶和桥梁本体结构的目的。本文对工程应用中常用的橡胶材料、钢材料、复合材料三款防桥梁本体结构的目的。本文对工程应用中常用的橡胶材料、钢材料、复合材料三款防撞材料展开研究，从材料刚性、冲击力反应、防撞性能三个方面，分析对比了三种材料的优缺点撞材料展开研究，从材料刚性、冲击力反应、防撞性能三个方面，分析对比了三种材料的优缺点。结果结果表明：适度降低防撞设施的刚度，根据实际选用防撞材料，可保证桥墩防护装置充分发挥表明：适度降低防撞设施的刚度，根据实际选用防撞材料，可保证桥墩防护装置充分发挥其其防护性能，防护性能，保护桥墩本体结构且防撞装保护桥墩本体结构且防撞装置受损情况最小。置受损情况最小。关键词关键词 防船撞防船撞，冲击试验冲击试验，吸能吸能，刚度分析刚度分析，有限元仿真有限元仿真 Comparative Study on the Performance of Bridge Pier Protective Devices Made of Different Materials Yanlong Zhao,Jin Wang,Siqi Zhang CCCC Civil Engineering Science&Technology Co.,Ltd.,Xian Shaanxi Received:Apr.27th,2023;accepted:May 4th,2023;published:Jun.21st,2023 Abstract Bridge pier protection device is the most direct and effective safety protection measure in ship bridge collision accidents,which can consume the strong impact force during the collision process to achieve the purpose of protecting the ship and bridge structure.This article conducts research on three com-monly used anti-collision materials in engineering applications:rubber material,steel material,and composite material.From the perspectives of material rigidity,impact force response,and an-ti-collision performance,the advantages and disadvantages of these three materials are analyzed 赵彦龙 等 DOI:10.12677/ijm.2023.122010 98 力学研究 and compared.The results show that moderately reducing the stiffness of anti-collision facilities and selecting anti-collision materials according to actual conditions can ensure that the pier protec-tion device fully exerts its protective performance,protect the structure of the bridge pier body and minimize damage to the anti-collision device.Keywords Ship Collision Prevention,Impact Test,Energy Absorption,Stiffness Analysis,Finite Element Simulation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着我国水上航运事业的发展，船舶通航时受恶劣天气、船舶失控、偏航等各种因素的影响，会与桥梁发生碰撞，严重时会造成巨大的损失。如何正确选择桥梁被动防撞设施保护桥梁是现今工程界的重要研究方向1。近年来，学者们主要针对橡胶材料、钢材料和复合材料的嵌套使用设计防撞设施2。钢橡胶组合的防撞装置3一般为浮式结构，具有较好的自浮能力，被应用于黄石长江公路大桥、广东崖门大桥、奉浦大桥等大型桥梁。自浮型 FRP 复合材料柔性防撞套箱4则适用于通航等级提升、水位落差变化大的内河流域桥梁，例如泸州长江大桥、云川金沙江特大桥等。长沙湘江一座斜拉桥过渡墩5上则使用了钢-UHPFRC 组合结构防撞装置，黄花园大桥6使用了多节段燕尾榫连接的防撞浮箱结构。根据桥梁地理位置、通航等级等特性，选用合适的结构和材料可以最大程度地降低船舶撞击力，减少撞击事故对船舶、防护设施和桥梁自身造成的损伤。不同材料防护设施的防护性能研究尤为重要。2.刚度分析刚度分析 将结构系统根据动力学性能相似的原理转化为质量和弹簧系统模型，通过建立运动方程进行结构系统激励和响应计算。在碰撞过程中将桥墩简化为单自由度体系，其质量为 M1，刚度为 k1；将缓冲装置与船舶简化为另一单自由度体系，其质量为 M2，刚度为 k2。因此，配置耗能装置时，船舶撞击桥墩模型动力分析的力学模型如图 1 所示。其中，x1为船舶碰撞时荷载作用位置处桥墩的变形值，x2为船舶碰撞时荷载作用位置处桥墩变形与缓冲装置变形之和。根据 DAlembert 原理建立冲击系统的动力方程为：()()1 11 12212222100M xk xkxxM xkxx+=+=(1)式中，()()1122sin,sinxAtxAt=+=+(2)求解可得，撞击力为：()()()()11222 022112121 sin1 sinBtBtk vF tkxxBB=(3)Open AccessOpen Access赵彦龙 等 DOI:10.12677/ijm.2023.122010 99 力学研究 桥墩反力为：()1 01211 11212sinsink vttF tk xBB=(4)根据建立的二自由度冲击系统动力方程，可求解得到撞击力公式和桥墩返力，同时得到桥墩防护装置刚度 k2与撞击力关系，为设计合理的防护装置提供理论依据。Figure 1.Dynamic analysis mechanical model 图图 1.动力分析力学模型 3.冲击试验冲击试验 1)材料与试块 根据工程应用中常用的防护设施材料，选用橡胶、钢结构和复合材料三种材料建立试验试块进行冲击试验，试块规格如图 2 所示，试块参数如表 1 所示。同时，制作混凝土试块进行参照对比，用来验证三种材料制作的防护结构单位体积的冲击响应。试验用材料主要性能如表 2 所示。Figure 2.Sample specifications.(a)Overall view;(b)Top view 图图 2.试件规格。(a)试件全貌图；(b)试件俯视图 Table 1.Specimen parameters 表表 1.试件参数 长度(mm)宽度(mm)高度(mm)外板厚 T(mm)内板厚 T2(mm)300 300 300 10 5 赵彦龙 等 DOI:10.12677/ijm.2023.122010 100 力学研究 Table 2.Material properties 表表 2.材料性能 材料 性能项目 单位 指标 钢材 拉伸强度 MPa 235 拉伸模量 GPa 201 复合材料 拉伸强度 MPa 250 拉伸模量 GPa 10 弯曲强度 MPa 200 剪切强度 MPa 50 填充芯材 平压强度 MPa 0.15 平压弹性模量 MPa 6 剪切强度 MPa 0.10 混凝土 抗压强度 MPa 30 2)实验方案 采用落锤冲击试验机进行冲击试验，锤头重量选用 200 kg，自由落体高度分别使用 1.5 m、2 m、2.5 m 进行试验，试验布置图如图 3 所示。(a)(b)Figure 3.Impact test equipments.(a)Testing machine;(b)Testing fixture 图图 3.冲击试验设备。(a)试验机；(b)试验工装 为了精确测量动态响应数据，在锤头底部接近锤头与梁接触的区域，安装压电式加速度传感器，用于测量冲击载荷；使用力传感器采集实验试块的应变；使用高速摄像机记录冲击过程，进行数据采集。3)试验结果与分析 不同试件的冲击试验效果图 47 所示，混凝土试件冲击工况中，混凝土试件从中间开裂并贯穿整个试件；橡胶试件冲头撞击挤压试件至底部后反弹；钢结构试件冲击工况中试件从与冲击头接触位置挤压屈曲变形；复合材料冲击工况中复合材料试件从与冲击头接触位置挤压压溃。赵彦龙 等 DOI:10.12677/ijm.2023.122010 101 力学研究 (a)(b)(c)(d)Figure 4.Impact test process of concrete specimens.(a)Starting;(b)Contact;(c)Limit;(d)Unloading 图图 4.混凝土试件冲击试验过程。(a)起始；(b)接触；(c)极限；(d)卸载 (a)(b)(c)(d)Figure 5.Impact test process of rubber specimens.(a)Starting;(b)Contact;(c)Limit;(d)Unloading 图图 5.橡胶试件冲击试验过程。(a)起始；(b)接触；(c)极限；(d)卸载 (a)(b)(c)(d)Figure 6.Impact test process of steel structure specimens.(a)Starting;(b)Contact;(c)Limit;(d)Unloading 图图 6.钢结构试件冲击试验过程。(a)起始；(b)接触；(c)极限；(d)卸载 (a)(b)(c)(d)Figure 7.Impact testing process of composite material specimens.(a)Starting;(b)Contac