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河冰对桥墩撞击作用的数值模拟分析

作　者: 单思镝
导　师: 于天来
学　校: 东北林业大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 冰排 桥墩 LS-DYNA 撞击 数值模拟
分类号: U443.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 93次
引　用: 1次
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内容摘要


我国黑龙江省等北方地区的结冰期达半年以上,每年春季开河时候的流冰对桥墩造成很大的撞击力,有时甚至造成桥梁建筑的损坏,并造成了严重的人员伤亡和财产损失。因此,为防止流冰带来的危害,有必要对黑龙江省的河冰与桥墩的撞击作用进行具体研究。这项工作和研究对正确理解影响流冰撞击力的相关因素,保证结构的安全,降低工程造价,具有重要意义。本文总结了冰与结构物相互作用的研究现状,介绍了冰排撞击桥墩数值模拟分析的计算理论,而后应用这一理论,借助LS-DYNA建立了冰排与桥墩的有限元模型。然后探讨了对于这一问题所应采用的河冰失效模式,分析了有限元网格大小和接触类型以及冰排区域划分对数值模拟精度的影响,以对模型进行优化,并验证了经分析优化后的模型的有效性。最后在模型有效的基础上,探讨了冰排抗拉强度、弹性模量、流速、平面尺寸和冰排厚度对冰压力的影响,分析了尖端型破冰体平面夹角和竖向前棱倾角以及弓形破冰体的曲率和倾角对冰压力的影响,以及破冰体迎冰面宽度对冰压力的影响。分析表明,对于河冰撞击竖直桥墩的问题,河冰呈现挤压破坏,其失效准则可采用主拉应力失效准则；近区冰排尺寸、冰排与桥墩的网格大小和接触类型这些因素影响数值模拟结果的精确性；同时,冰排的强度、弹性模量、厚度对冰压力有显著影响,并大致呈现线性关系；而在一定范围内,冰排的速度、平面尺寸对冰压力影响不大；对于尖端形破冰体,平面夹角和竖向倾角越大则冰压力越大,对于弓形破冰体,曲率越小倾角越大则冰压力越大,同时,破冰体的宽度越大,冰压力也越大。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 研究的必要性  8
  1.2 研究现状  8-13
  1.3 本文主要工作  13-14
2 冰排撞击桥墩数值模拟分析的基本理论  14-20
  2.1 冰排撞击桥墩问题的基本控制方程  14-15
  2.2 冰排撞击桥墩问题的有限元微分方程  15-16
  2.3 接触碰撞算法的有限元实现  16-17
  2.4 时间步长控制  17-18
  2.5 接触碰撞问题的求解方法  18
  2.6 本章小结  18-20
3 撞击力计算模型的建立与数值分析  20-37
  3.1 材料的本构模型  20-21
    3.1.1 河冰的本构模型  20
    3.1.2 混凝土的本构模型  20-21
  3.2 有限元模型的建立  21-24
    3.2.1 佳木斯松花江公路大桥简介及现场试验概况  21
    3.2.2 有限元模型的建立  21-24
  3.3 对河冰失效模式的探讨  24-30
    3.3.1 现场观测的冰排破坏模式  25-26
    3.3.2 数值计算时冰排失效的准则  26-30
  3.4 影响数值模拟精度的因素的分析  30-34
    3.4.1 冰与桥墩接触类型对计算精度的影响  30
    3.4.2 冰排与桥墩接触的近区大小对冰压力的影响  30-31
    3.4.3 冰排与桥墩接触的近区单元大小对冰压力的影响  31-33
    3.4.4 接触区域桥墩单元大小对冰压力的影响  33-34
  3.5 模型有效性验证  34-36
  3.6 本章小结  36-37
4 冰排特性对冰压力的影响  37-42
  4.1 冰排的抗拉极限强度对冰压力的影响  37-38
  4.2 冰排的弹性模量对冰压力的影响  38
  4.3 冰排流速对冰压力的影响  38-39
  4.4 冰排的平面尺寸对冰压力的影响  39-40
  4.5 冰排的厚度对冰压力的影响  40-41
  4.6 本章小结  41-42
5 破冰体形状对冰压力的影响  42-51
  5.1 破冰体角度对冰压力的影响  42-49
    5.1.1 尖端形破冰体尖端夹角大小对冰压力的影响  43-44
    5.1.2 尖端形破冰体竖向前棱的斜度对冰压力的影响  44-47
    5.1.3 弓形破冰体曲率对冰压力的影响  47
    5.1.4 半圆形破冰体倾角对冰压力的影响  47-48
    5.1.5 半圆形与尖端形破冰体防撞效果的对比分析  48-49
  5.2 破冰体宽度对冰压力的影响  49-50
  5.3 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-56
攻读学位期间发表的学术论文  56-57
致谢  57-58

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 桥梁构造 > 墩台结构（下部结构） > 桥墩
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