油轮爆火环境悬索桥安全性能预测与预警方法研究

油轮爆燃火灾威力巨大,严重威胁跨海桥梁的安全性能。为研究悬索桥在油轮爆燃致复杂极端火灾环境中的结构响应,明确悬索桥遭遇复杂极端火荷载时的安全性能,选取某大跨径悬索桥作为研究对象,给出了油轮爆火(爆燃火灾)时悬索桥结构安全性能(耐火性能)预测过程。首先采用火灾动力学-有限元(CFD-FEM)耦合方法,重构了油轮爆燃火灾环境,建立了悬索桥局部受火梁段和全桥结构在油轮爆火环境的三维多尺度数值预测模型,深入揭示了油轮爆火时局部受火梁段的传热模式和全桥结构性能演变规律。继而,研究了油轮爆火时悬索桥钢箱梁(加劲梁)的高温响应和失效模式,分析了不同起火位置、起火面至钢箱梁底板距离和风速对悬索桥火灾响应行为的影响,提出了油轮爆火环境悬索桥耐火极限预警方法。研究结果表明:油轮爆火环境悬索桥局部受火梁段随受火时间其变形不断增大,受火梁段表现出整体下挠后中间区域上拱的失效模式,导致中间区域吊索索力呈现出先增大后减小的发展趋势;起火位置对悬索桥整体结构性能影响较大,随着起火位置接近悬索桥跨中区域,该区域梁段较近塔区域梁段受火下挠量增加62%;起火面至钢箱梁底板距离由50 m减到20 m时,局部梁段的下挠峰值和总上拱值(下挠峰值与上拱峰值之差)增幅超过19%,结构失效时间提前10 min;风速会改变油轮爆燃火焰形态,明显影响悬索桥加劲梁两侧边箱梁的受热面分布形态和高温响应特征,风速8 m·s^(-1)时迎风侧边箱梁受火强度明显减弱,相对2 m·s^(-1)时底板总上拱幅度减小17%;钢箱梁底板反弯变形时的临界温度介于510℃~550℃之间,钢箱梁底板屈曲失稳时的极限温度介于685℃~715℃之间,临界温度和极限温度可作为钢箱梁结构安全性能的两阶段预警温度,从而实现钢箱梁失效前的2次实时预警。研究结论可为复杂火灾环境缆索承重钢桥结构安全性能监测和预警提供理论依据,进一步指导同类型桥梁的安全运维。

水动力对海冰-结构物相互作用影响的研究

海冰与极地船舶碰撞是影响船舶航行和作业安全的重要因素。由于碰撞发生在水面附近,水动力作用不可忽视,需考虑结构物-冰-水的耦合作用。论文进行了海冰与固定圆柱体之间水动力相互作用的试验,并改变海冰的速度、尺寸和形状这3个参数用CFD-FEM方法进行数值模拟,分析冰所受水动力与碰撞力峰值的差以及碰撞过程中冰附加质量的变化。研究结果表明:数值计算结果与试验数据吻合较好;在海冰-结构物碰撞过程中,水动力对冲击力辐值的影响随海冰速度的增大而增大,随海冰尺寸和截面多边形边数的增加而减小;在冲击力峰值附近区域,海冰附加质量呈先增大后减小的态势。

船舶与单块碎冰相互作用的水动力效应研究

采用CFD-FEM耦合算法建立适用于船-冰碰撞的数值模型,模拟船舶与单块碎冰从接近到发生碰撞的过程,提取碎冰的运动状态及船-冰碰撞力。在碎冰与船体碰撞前,由于流场的作用碎冰相对于初始位置发生了漂移,与船速同向的漂移速度分量随碎冰尺寸增加而减小;漂移使船舶与碎冰的相对速度减小,降低了船-冰碰撞力,并影响碎冰碰撞时的姿态。数值仿真结果可用于极地运输船舶的设计。