探究船舶撞击对码头结构耐久性影响论文.docx

探究船舶撞击对码头结构耐久性影响论文探究船舶撞击对码头结构耐久性影响论文0引言港口作为国际经济文化合作交流的窗口和交通运输的枢纽，对促进资源全球性调动配置以及区域发展发挥着至关重要的作用。我国海岸资源丰富，是世界上海岸线最长的国家之一。改革开放以来，随着中国经济开放度不断提升，对外贸易不断增长，我国港口行业迎来新一轮的高速发展，全国港口货物吞吐量已连续多年稳居世界第一。我国港口绝大部分为混凝土结构的码头，由于常年处在海水环境之中，其耐久性问题比在大气环境下更加复杂、严峻。目前，国内外对码头结构耐久性的研究主要集中在混凝土炭化、Cl-侵蚀、冻融破坏、碱-集料反应和钢筋锈蚀等因素上，鲜有从外部荷载出发研究其与耐久性之间的关联性。随着港口规模的不断扩大，码头结构所承受的船舶撞击荷载对耐久性能造成的不良影响日益凸显。本文从船舶撞击荷载引起的结构疲劳损伤入手，分析总结船舶撞击作用对码头结构耐久性的影响原理。1船舶撞击问题研究方法现状1.1经验公式法自20世纪60年代起，各国学者对船舶撞击问题展开研究，目前国际上应用较为广泛的有Woisin公式、AASHTO规范公式、Pedersen公式和Heins-Derucher理论等。由于这些公式参数设置简单、计算方便，所以被广泛应用于工程实际中。但船舶碰撞问题是十分复杂的问题，而这些简化公式本质上属于静力加载状态下经过部分修正而得到的经验公式，不能够反映船舶与码头结构发生碰撞时的经时特性。此外，这些公式没有全面考虑船舶质量、撞击速度、撞击角度和载重量等多种因素的影响，存在一定的局限性，使计算结果或多或少偏离实际情况，导致码头结构设计很难达到最优化状态。1.2有限元仿真分析法随着计算机仿真技术的高速发展，通过有限元软件可以建立精细化的船舶-码头有限元模型。在保证模型正确和计算控制合理的前提下，可以完整地反映撞击过程中船舶与码头结构的碰撞力、变形、接触情况和能量分配等物理量的经时变化，得到精度较高的计算结果，为研究船舶撞击码头结构提供行之有效的办法。范云生等通过应用ANSYS软件中的LS-DYNA模块，建立船舶-码头结构-地基土的三维有限元模型，模拟船舶在不同影响因素下撞击高桩码头的瞬态过程，得到不同工况下的撞击变化规律，以完成非线性动力响应的计算。虽然有限元分析法可以就具体的问题进行相应的数值动态分析，获取与实际情况相符的计算结果，但这是以能够建立正确合理且能真实反映码头实际状态的有限元模型为基础的。所以，仿真难度还是很大的：一是建模过程中的简化假设与实际情况有较大的区别;二是为了得到更为精确的模拟结果，需要建立足够精细化的船舶模型，这需要分析者具备相应的知识储备。此外，利用有限元分析法研究船舶撞击问题目前多应用于桥梁行业中，在港口行业中的应用还需要更多学者继续探索。1.3试验分析法通过试验分析，可以为经验公式和数值模拟提供辅助验证依据，并且可以直接监测到船舶与码头结构碰撞过程中各物理要素的经时变化，是1种有效的研究手段。因此，国内外学者进行许多模拟试验。李焱等以某25万吨级矿石码头为例，分别在单流、单流和浪流共同作用下，进行系泊船舶撞击力和系缆力试验，分析在单因素和多因素情况下的船舶运动和动力情况。但是，一般船舶-码头原型试验耗资巨大，可行性低，而缩尺试验很难满足模型与真实船型的比例关系，并且各式船型和码头结构细部结构复杂，试验分析具有一定的局限性。2船舶撞击荷载对码头结构损伤的影响码头结构在营运期间承受的荷载组合复杂，除了上部结构自重荷载、使用荷载、海水静载及波浪往复荷载等外，还会承受由于船舶运动产生的撞击力和系缆力，虽然这些作用的频率较小，但是其产生的应力幅值却非常大。因此，对船舶撞击引起的码头结构损伤应格外重视。2.1船舶撞击荷载对结构的损伤码头结构的损伤形式多种多样，船舶撞击造成的损伤主要包括：一是撞击荷载直接引起的裂缝，尤其是像船舶撞击这种疲劳荷载会加速裂纹扩展，损伤能力更强;二是由于船舶撞击引起结构的局部位移变形，使结构上产生附加应力，并随位移变形的发展不断积累而增大，当应力超过极限强度时，就会间接导致结构开裂。2.2船舶撞击荷载对结构裂纹扩展的影响船舶反复撞击码头使混凝土内部损伤逐渐积累，结构的裂纹发展从萌生、扩展、连通到失效破坏。钟铭等通过等幅疲劳荷载试验，研究影响高强混凝土梁疲劳裂缝宽度的主要因素，并根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数建立疲劳荷载作用下高强混凝土梁的裂缝宽度计算公式，可以准确地预测高强混凝土梁全寿命周期内的裂缝宽度发展规律。但是，由于运营期间船舶撞击荷载各要素的随机性和不确定性以及码头材料的非完全均质性和结构层次的模糊性，实际情况的疲劳裂纹扩展现象具有相当的离散性。邹小理提出将随机过程理论与传统断裂力学结合起来，建立随机荷载下疲劳裂纹扩展寿命的统计模型，有