高桩框架式码头在船舶撞击作用下动力响应分析

发表时间:2019/9/27   来源:《建筑科技信息》2019年第1期   作者:刘小兵
[导读] 码头作为水上运输重要的交通要道,对于我国水运工程具有十分重要的影响作用。随着我国鼓励大力发展水运事业,加强码头、水利设施的建设就显得刻不容缓。
        摘要: 码头作为水上运输重要的交通要道,对于我国水运工程具有十分重要的影响作用。随着我国鼓励大力发展水运事业,加强码头、水利设施的建设就显得刻不容缓。基于此,本文主要对高桩框架式码头在船舶撞击作用下动力响应分析。最终的分析结果显示:船舶撞击作用的受撞击点以及框架连结点和桩底在高桩框架式码头撞击作用中为应力大值,撞击点处为最大。在整个撞击过程中,高桩框架式码头的橡胶护舷仅能够作为撞击后的振动效应参考,船舶在此方向上均匀振动。
        关键词: 水运工程;船舶撞击作用;高桩框架式码头;动力响应分析
        1 引言
        码头是水上运输的重要组成部分,对于我国构建节约型交通具有十分重要的意义[1-2]。随着我国科学技术的发展,新时代的水运工程建设也有了新的要求。这就需要将运输需求的不断增长与船舶大型化的发展紧密结合,相互适应。高桩框架式码头在收到船舶撞击作用过程并非一个简单的力学加载过程。分析动力响应模型模拟船舶与框架码头的碰撞过程能够看出:高桩框架式码头在船舶撞击作用之下,等同于静力加载的方式忽略了船舶。也就是说,高桩框架式码头在船舶撞击过程中,受到码头之间的相互动力作用的影响,框架结构受到撞击后会出现中间位置的结构振动。这会造成船舶与框架结构的接触碰撞中出现严重的动力影响,严重情况下,甚至会撞击产生间隙,或者对高桩框架式码头造成二次撞击,带来更大的危害[3]。
        2 高桩框架式码头
        2.1 高桩框架式码头的特点
        高桩框架式码头不同于其他码头的修建,主要在软弱地基上展开施工。因此,高桩框架式码头的工作特点与普遍码头有所不同。码头荷载首先出现在桩台部位,而后经由桩台传递到桩结构,再传递到桩基传给地基。高桩框架式码头具有波浪反射轻、结构轻、对地基适应能力强等特点。高桩框架式码头水平荷载大都由叉桩承受。但是,在一些内河码头中,高桩框架式码头的设计结构不尽相同。一般来说,全直桩高桩框架式码头是码头工程设计的首选,主要是由于此种全直桩高桩框架式码头在承受船舶撞击作用力的时候,其水平荷载由直桩承担,这样就分散了船舶撞击作用,进而传递到嵌固桩部位,减轻对码头的撞击伤害。全直桩高桩框架式码头的设计普遍采用于内河码头外形,但是这种设计仅适用于内河码头建设中,存在耐久性不够强、码头强度不够等缺点。若当地的内河水位差大,当直桩完全承担着水平力时,位移可能超过限值,难以满足船舶大型化的要求。
        2.2 水平承载桩计算研究
        对高桩框架式码头在船舶撞击作用力中的分析,首先应明确水平承载桩计算研究。一般来说,在水平承载桩计算中,常用的计算方式有三种:弹性理论法、地基反力系数法、有限元法。其中,最为常用的是地基反力系数计算方法。地基反力系数法中应用到地基反力模量,也就是土压力与由于土压力产生位移比值。由于该位移比值并非土固有属性的值,因此容易受到环境等因素的影响,进而发生改变。温克尔地基模型也是地基反力系数法中所应用到的一项重要参数模型。此种模型主要能够将桩周围土进行离散,计算单独作用力的弹簧受力。在此种方法实际应用中,地基反力系数被假定为常数,因此计算实际作用力数值的时候,难以避免会存在一些数据偏差。但是,此种计算方法实际应用简单,能够能够实现对较小位移值计算的精度,与实际的桩性状情况相差不大。


       3 码头船舶撞击作用下动力响应研究现状
       3.1 结构动力
       码头船舶撞击作用下动力响应的动力动力荷载类型一般可以分为以下几种:谐响应分析、谱分析、模态分析、瞬态动力分析。谐响应分析主要对结构承受正弦规律变化时所产生的荷载进行分析。此种分析能够确定码头船舶撞击作用下的稳态响应。采用谐响应分析可以计算几种频率作用下振幅的响应数值。并以此绘制船舶撞击频率与撞击振幅的关系曲线。通过分析关系曲线预测码头船舶撞击作用下动力响应的持续动力特性。谱分析可以反映时间以及时间历程荷载的强度和频率信息,而模态分析以及瞬态动力分析都能够对动力时间、动力产生的结构振型进行分析。其中,模态分析能够对码头船舶撞击作用下的动力响应结构振型进行叠加,从而更加深入的对其进行分析。并且能够对船舶撞击过程中各阶的自振振型进行动力分析。借助模态分析能够获得固有频率的实际参数以及各阶的自振振型参数。通过这些参数,可以对结构承受动力荷载设计进行计算。瞬态动力分析则可以对不同时间段的撞击情况以及动力响应情况进行分析。在确定结构在承受任意随时间变化的动荷载后,通过复分析荷载,可以将高桩框架式撞击应力所受的位移、应变等数值进行计算,并且分析数值变化与时间之间的关系。
        3.2 数值计算方法
        在分析高桩框架式码头在船舶撞击作用下动力响应情况时,采用数值分析方法能够对解析积分式进行精确计算。模态叠加法在动力学方程中的应用,通过建立一组独立的非耦合方程,并将完全耦合的通用方程转化,最终得到的一种通用式方程。而直接积分法在动力学方程中的应用则是直接求解运动方程。直接积分法是当前最为有效的求解方程方法,能够确定结构动力反应的数值。在实际应用中,通过分析是否需要对耦联方程组进行联立求解,进而将假定的数值带入到方程,计算出初始值以及新值,在高桩框架式码头船舶撞击应力作用响动分析中具有一定优势。
        4 结论
        通过借助动力分析软件对船舶和框架码头撞击作用进行分析。最终能够得出框架与船舶发生碰撞属于接触碰撞,通过测得的实际数值,借助仿真软件,模拟高桩框架式码头在承受船舶撞击过程中的动力响应数值,并绘制时间历程曲线。得到:
        1) 接触碰撞过程中,当主动碰撞体的初速度较大,橡胶护舷受到挤压,船舶首先出现巨大的受力。这一过程中,橡胶护舷出现变形,以缓减对于码头框架结构受力。
        2) 当橡胶护舷与船舶撞击物体完全不接触的时候,此时框架结构的受力逐渐达到最大。
        3) 当框架结构的离船舶向位移达不断产生变化时,由于受到运动惯性,存在刚度牵制,框架结构与船舶再次碰撞接触,框架结构所承受的撞击力不断减小,逐渐趋于零值。
         5 参考文献
         [1]胡永明,曹竞祎,刘东亮.基于USFOS的导管架平台船舶撞击分析[J].化学工程与装备,2019(01):164-167.
         [2]周刘茜,郑史雄,陈航.撞击速度对船桥碰撞作用的影响[J].四川建筑,2018,38(06):206-208+210.
         [3]张松宇,杨文斌.船舶碰撞后应急排水自动控制装置设计[J].舰船科学技术,2018,40(24):193-195.
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