吉林大学学报(工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (9): 2581-2590.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20211227

• 交通运输工程·土木工程 • 上一篇    下一篇

桥墩复合材料柔性防撞护舷试验

郑植1,2(),袁佩1,金轩慧3,魏思斯1,耿波1()   

  1. 1.招商局重庆交通科研设计院有限公司 桥梁工程结构动力学国家重点实验室,重庆 400067
    2.重庆大学 土木工程学院,重庆 400045
    3.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100029
  • 收稿日期:2021-11-16 出版日期:2023-09-01 发布日期:2023-10-09
  • 通讯作者: 耿波 E-mail:zhengzhi@cqu.edu.cn;gengbo01@163.com
  • 作者简介:郑植(1992-),男,助理研究员,博士研究生.研究方向:工程结构抗冲击与防护.E-mail:zhengzhi@cqu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2017YFC0806000);重庆市自然科学基金项目(CSTB2022NSCQ-MSX1658)

Experimental on composite flexible anti⁃collision fender of bridge pier

Zhi ZHENG1,2(),Pei YUAN1,Xuan-hui JIN3,Si-si WEI1,Bo GENG1()   

  1. 1.National Key Laboratory of Structural Dynamics of Bridge Engineering,China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co. ,Ltd. ,Chongqing 400067,China
    2.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China
    3.China Academy of Building Research Co. ,Ltd. ,Beijing 100029,China
  • Received:2021-11-16 Online:2023-09-01 Published:2023-10-09
  • Contact: Bo GENG E-mail:zhengzhi@cqu.edu.cn;gengbo01@163.com

摘要:

针对既有防护结构不能实现多目标船型柔性防护的问题,提出了一种可防护中小型船舶的柔性护舷,该护舷可与既有防护结构搭配使用。对3种不同护舷开展了准静态压缩试验,确定了最优构造形式,通过足尺冲击试验和数值模拟对最优构造护舷的防护性能进行分析。结果表明:压缩试验下,不同试件的破坏模式相近,均出现外面板剪断,基体开裂,剪断处纤维断裂;压缩结束各试件回弹率高达85%以上;添加耗能芯材的试件3是最优构造形式。落锤冲击试验下,撞击力折减率达到97%,撞后护舷变形完全恢复,护舷以弹性耗能的方式耗散能量;驳船撞击下,护舷吸收了63%的碰撞能量,且能大幅减轻船舶损伤,此时护舷主要以耗能芯材的压溃吸收碰撞能量。

关键词: 交通运输系统工程, 复合材料, 柔性护舷, 压缩试验, 冲击试验, 数值模拟

Abstract:

Aiming at the problem that the existing protective structure can not achieve multi-objective ship-type flexible protection,a flexible fender which can protect small and medium-sized ships is proposed.The fender can be used with the existing protective structure.To determine the optimal form,the quasi-static compression tests of three different flexible fenders are carried out.And the protective performance of the optimal structural fender is analyzed through full scale impact test and numerical simulation.The results indicate that the failure modes of different specimens are similar under compression test.The outer plate shear failure, matrix cracking and fiber fracture occurred in all specimens.At the end of compression, the springback rate of each specimen was as high as 85%.Specimen 3 with energy dissipation core material is the optimal structure.For the drop weight impact test, the reduction rate of impact force reaches 97%.Fender deformation recovers completely after impact, and fender dissipates energy in the form of elastic energy dissipation.Under barge impact, the fender absorbs 63% of the collision energy and greatly reduces ship damage.In this condition, the fender mainly absorbs the collision energy with the collapse of the energy dissipating core material.

Key words: engineering of communications and transportation system, composite materials, flexible fender, compression test, impact test, numerical simulation

中图分类号: 

  • U417.1

图1

各试件构造(单位:mm)"

图2

试件制备过程"

图3

柔性护舷足尺压缩试验"

图4

最终破坏状态"

图5

荷载-位移曲线"

图6

柔性护舷足尺冲击试验"

图7

碰撞力试验对比"

图8

撞击点处梁底位移对比"

图9

碰撞系统有限元模型"

表1

CSC模型本构参数"

参 数数值
密度ρCSC/(kg·m-32500
剪切模量G/1010 Pa1.166
体积模量K/1010 Pa1.277
三轴压缩面常数α/107 Pa1.471
三轴压缩面线性参数θ0.3016
三轴压缩面非线性常数λ/107 Pa1.051
三轴压缩面指数β/10-8 Pa-11.929
硬化系数NH1
硬化率CH0
扭转面常数α10.7473
扭转面线性参数θ1/10-9 Pa-11.108
扭转面非线性参数λ10.17
扭转面指数β1/10-8 Pa-16.896
三轴延伸面常数α20.66
单轴压应力速率效应参数η0c/10-41.022
单轴拉应力速率效应参数η0t/10-56.32
最大压应力OVERC/107 Pa2.211
三轴延伸面线性参数θ2/10-9 Pa-11.336
三轴延伸面非线性参数λ20.16
三轴延伸面指数β2/10-8 Pa-16.896
帽盖面长宽比R5
帽盖初始位置XD/107 Pa9.129
最大塑性体积压实率W0.05
线性参数D1/10-10 Pa-12.5
二次形参数D2/10-10 Pa-23.492
韧性形状软化参数B300
单轴拉伸断裂能GFT(Pa·m)7213
纯剪应力下的断裂能GFS(Pa·m)72.13
剪-压过渡参数PWRC5
剪-拉过渡参数PWRT1
压缩软化参数PMOD3.5
单轴压应力的速率效应功率NC /10-41.022
单轴拉应力的速率效应功率Nt0.48
最大拉应力OVERT/107 Pa2.211

表2

复合材料参数"

参 数数值
密度ρF/(kg·m-31800
a方向弹性模量Ea/GPa20
b方向弹性模量Eb/GPa20
ab方向剪切模量Gab/GPa4.32
bc方向剪切模量Gbc/GPa4.32
ca方向剪切模量Gca/GPa4.32
a方向拉伸强度Xt460
b方向拉伸强度Yt/MPa460
a方向压缩强度Xc/MPa130
b方向压缩强度Yc/MPa130
剪切强度Sc/MPa70
泊松比μ0.07

图10

耗能芯材压缩本构"

图11

数值模拟与冲击试验碰撞力对比"

图12

护舷撞击点处变形"

图13

护舷受撞过程对比"

图14

碰撞系统能量时程"

图15

碰撞力对比"

图16

内能对比"

图17

撞深对比"

图18

船艏损伤对比"

图19

护舷破坏(单位:Pa)"

图20

柔性护舷工程应用"

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