一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法技术

本发明专利技术公开了一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法，包括基于等效静力法船撞抗力和设防船型确定方法、基于增量动力法的设防船型确定方法以及在计算过程中所使用的数据自动化处理存储方法。所述基于等效静力法船撞抗力和设防船型确定方法核心是基于单位荷载法的桥梁船撞抗力计算；增量动力法是不断调整船舶吨位迭代求解得到设防船型；同时为准确高效实现这一静动力相结合的方法，采用了自动化的数据提取、存储和处理方法。本发明专利技术可解决目前桥墩抵抗船舶撞击能力表征不清、桥梁设防船舶类型确定无规范流程、相关求解过程繁琐等问题，为桥梁抗船撞设计、船撞风险评估工作提供一种快速计算方法和科学参考。工作提供一种快速计算方法和科学参考。

【技术实现步骤摘要】
一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法


[0001]本专利技术涉及涉及桥梁抗船撞设计、桥梁船撞风险评估等领域，主要涉及一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法。

技术介绍

[0002]我国大量跨越江河海湾桥梁建成或处于规划建设中，中小跨径和大跨径桥梁数量迅速增多以及大量老桥的存在使得桥梁结构与水上船舶之间的矛盾逐渐凸显。但在桥梁抗撞性能评估中，桥梁船撞抗力的计算靠迭代试算，计算效率较低；在《公路桥梁抗撞设计规范》中，设防船型的确定基于静力概念，忽略了船舶撞击大跨度桥梁时显著动力效应对于结构安全性的影响，与实际要求存在偏差。
[0003]船舶撞击严重危害到生命财产安全，对于中小跨径桥梁，基于等效静力的单位荷载法再加以编程软件自动化程序辅助，快速准确的计算出各涉水墩的船撞抗力和相应破坏控制模式，解决目前桥墩抵抗船舶撞击能力表征不清及求解过程繁琐问题。对于大跨径桥梁一旦发生严重破坏所造成的经济损失和不良社会效应都是巨大的，针对大跨度桥梁在等效静力单位荷载法的基础上同时结合增量动力法确定设防船型，可以快速且相对准确地得到设防船型。
[0004]本专利技术提供了桥梁涉水墩船撞抗力快速计算和桥梁设防船型确定方法，提出具备工程适用性的船撞抗力和设防船型分析理念，基于等效静力单位荷载法确定桥墩船撞抗力、破坏模式和初步设防船型，再结合增量动力法考虑动力效应确定最终设防船型，以及与上述两种方法相匹配的程序自动化数据提取、存储和处理方法，为相关桥梁抗船撞设计和桥梁船撞风险评估提供科学参考。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法，包括以下3点：
[0007]I.对于中小跨径桥梁的船撞性能分析及大跨度桥梁的船撞性能分析初步阶段，采用基于单位荷载法的桥梁船撞抗力等效静力计算方法，并根据计算得到的桥梁船撞抗力反推得到设防船型。包括以下步骤：
[0008]步骤1：根据设计资料建立全桥结构杆系模型。采用离散土弹簧考虑基础与土体的相关作用，土弹簧刚度采用“m”法或者“p
‑
y”曲线法计算；
[0009]步骤2：对模型施加正常使用荷载，并按照规范进行荷载组合，提取得到正常使用荷载组合下各个单元的截面内力值(轴力、弯矩和剪力)；
[0010]步骤3：依据建立模型所划分的单元，基于弯矩
‑
曲率法和经验公式法分别进行各单元截面抗弯、抗剪等抗力计算；
[0011]步骤4：对模型施加单位碰撞荷载，获得单位碰撞力下的各个单元的截面内力值(弯矩和剪力)；
[0012]步骤5：基于等效静力的单位荷载法，遍历所有下部结构单元计算各单元的截面抗力系数；
[0013]步骤6：各涉水墩取最小截面抗力系数乘以单位船撞力得到对应桥墩船撞抗力，以及所对应破坏模式；
[0014]步骤7：根据桥梁抗撞支座性能验算要求，代入步骤6所求得船撞抗力对桥墩支座进行验算；
[0015]步骤8：若支座性能验算满足要求，则以步骤6所求得船撞抗力反推设防船型；若支座验算不满足要求，则修改船撞抗力重复步骤7进行迭代分析，直至满足支座性能验算，最终以该船撞抗力反推得到设防船型。
[0016]II.对于大跨径桥梁，首先采用基于等效静力的船撞抗力计算方法，初步确定桥梁船撞抗力和设防船型，然后在此基础上进行增量动力分析，得到基于动力分析的船舶碰撞荷载时程以及相应的设防船型。包括以下步骤：
[0017]步骤1：对于大跨度桥梁或者安全等级较高的桥梁，根据I中的方法初步计算出桥梁船撞抗力和设防船型；
[0018]步骤2：通过规范或者碰撞动力分析，得到初步设防船型的特征碰撞荷载时程；
[0019]步骤3：进行时程动力分析，提取得到关键截面所对应的内力极值；
[0020]步骤4：将关键截面内力极值与截面抗力对比：
[0021]若关键截面内力极值≈截面抗力(相差5％以内)，则可以认为初步设防船型即为实际设防船型；
[0022]若关键截面内力极值>截面抗力，则表明实际设防船型<初步设防船型，以初步设防船型为基准，减小船舶吨位，并重复权利要求3中的步骤2～步骤4，直至关键截面内力极值≈截面抗力(相差5％以内)，则可以认为减小吨位后的船型即为实际设防船型；
[0023]若关键截面内力极值<截面抗力，则表明实际设防船型>初步设防船型，以初步设防船型为基准，增大船舶吨位，并重复权利要求3中的步骤2～步骤4，直至关键截面内力极值≈截面抗力(相差5％以内)，则可以认为减小吨位后的船型即为实际设防船型；
[0024]步骤5：将最终得到的设防船型所对应的等效静力荷载施加于结构上，进行支座性能验算。若满足则计算终止，不满足则进行迭代重复步骤2～步骤5确定最终的船撞抗力大小，并反推得到设防船型。
[0025]III.为了满足等效静力和增量动力分析中，下部结构离散单元的内力和抗力存储、船撞抗力快速计算以及桥墩破坏模式的确定。对于各个涉水桥墩墩身和桩基全体离散单元计算数据以向量形式存储，以等效静力单位荷载算法为核心进行编程，求解得到全体离散单元的船撞抗力系数向量{α
ij
}，程序自动遍历抗力系数向量读取最小抗力系数及其对应的单元号和控制模式，输出各个桥墩的船撞抗力及对应破坏模式。
[0026]作为更进一步的优选方案，权利要求4所述的向量形式存储在于：将各个涉水桥墩墩身和桩基全体离散单元在正常使用荷载作用组合下的内力存储到{S0}向量空间中、在单位船撞力作用下的内力存储到{S
I
}向量空间中，以及将全体离散单元的抗力存储到{R}向量空间中。
[0027]其中对于{S0}向量内部包含离散单元号和内力(轴力N、弯矩M和剪力Q)，{S
I
}向量内部包含离散单元号和内力(弯矩M
’
和剪力Q
’
)，{R}向量内部包含离散单元号和抗力(抗弯和抗剪承载力)。计算生成的{α
ij
}向量内部包含离散单元号、由弯矩破坏模式控制对应的抗力系数和由剪切破坏模式控制对应的抗力系数。
[0028]作为更进一步的优选方案，权利要求4所述的以等效静力单位荷载法为核心的程序，其特征在于：将模型中涉水桥墩每个离散单元的截面抗力相对于单位船撞力效应的富余量均进行计算，生成船撞抗力系数向量。其数学模型表达式如下：
[0029][0030]桥墩船撞抗力是由各墩所属离散单元最小船撞抗力系数决定的，同时最小船撞抗力系数对应的控制模式即为破坏模式。程序算法能够遍历抗力系数向量空间读取极小值，输出各桥墩船撞抗力，同时锁定对应单元号及破坏模式。数学模型如下：
[0031]{R
c
}＝P min(α
ij
}
[0032]{R
c
}为船撞抗力向量(单位：kN)；P为单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法：包括基于等效静力法的桥梁船撞抗力计算和设防船型确定方法、基于增量动力法的桥梁船撞设防船型确定方法、以及与上述方法相匹配的计算数据自动化处理方法。2.根据权利要求1所述的一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法，其特征在于：对于中小跨径桥梁的船撞性能分析及大跨度桥梁的船撞性能分析初步阶段，采用基于等效静力单位荷载法的桥梁船撞抗力计算方法，并根据计算得到的桥梁船撞抗力反推得到设防船型。包括以下步骤：步骤1：根据设计资料建立全桥结构杆系模型。采用离散土弹簧考虑基础与土体的相关作用，土弹簧刚度采用“m”法或者“p
‑
y”曲线法计算；步骤2：对模型施加正常使用荷载，并按照规范进行荷载组合，提取得到正常使用荷载组合下各个单元的截面内力值(轴力N、弯矩M和剪力Q)；步骤3：依据建立模型所划分的单元，基于弯矩
‑
曲率法和经验公式法分别进行各单元截面抗弯、抗剪等抗力计算；步骤4：对模型施加单位碰撞荷载，获得单位碰撞力下的各个单元的截面内力值(弯矩M
’
和剪力Q
’
)；步骤5：基于等效静力单位荷载法，遍历所有下部结构单元计算各单元的截面抗力系数；步骤6：各涉水墩取最小截面抗力系数乘以单位船撞力，即可得到对应桥墩船撞抗力，以及所对应破坏模式；步骤7：根据桥梁抗撞支座性能验算要求，代入步骤6所求得船撞抗力对桥墩支座进行验算；步骤8：若支座性能验算满足要求，则以步骤6所求得船撞抗力反推设防船型；若支座验算不满足要求，则修改船撞抗力重复步骤7进行迭代分析，直至满足支座性能验算，最终以该船撞抗力反推得到设防船型。3.根据权利要求1所述的一种静动力相结合的桥梁船撞抗力及设防船型确定方法，其特征在于：对于大跨径桥梁，首先采用基于等效静力的船撞抗力计算方法，初步确定桥梁船撞抗力和设防船型，然后在此基础上进行增量动力分析，得到基于动力分析的船舶碰撞荷载时程以及相应的设防船型，包括以下步骤：步骤1：对于大跨度桥梁或者安全等级较高的桥梁，根据权利要求2中的方法初步计算出桥梁船撞抗力和设防船型；步骤2：通过规范或者碰撞动力分析，得到初步设防船型的特征碰撞荷载时程；步骤3：进行时程动力分析，提取得到关键截面所对应的内力极值；步骤4：将关键截面内力极值与截面抗力对比：若关键截面内力极值≈截面抗力(相差5％以内)，则可以认为初步设防船型即为实际设防船型；若关键截面内力极值＞截面抗力，表明实际设防船型＜初步设防船型，以初步设防船型为基准，减小船舶吨位，并重复权利要求3中的步骤2～步骤4，直至关键截面内力极值≈截面抗力(相差5％以内)，则可以认为减小吨位后的船型即为实际设防船型；若关键...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景峰，荀非帆，冀豪豪，吴俊霖，荆一帆，杜威，冯亮，张智超，仝朝康，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：