城市桥梁下部结构抗重型车辆撞击的数值仿真分析

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1、城市桥梁下部结构抗重型车辆撞击的数值仿真分析摘要：为研究城市道路桥梁结构在重型车辆撞击下的抗撞性能，建立了车桥碰撞的精细化有限元模型。桥梁模型具有两跨上部结构和双柱墩支撑的下部结构，上部结构采用梁和壳单元，下部结构采用实体单元模型。同时构建了具有不同吨位和长度的重型车辆模型。通过考察碰撞过程的能量平衡曲线以及与碰撞事故后的桥墩破坏形式的对比，验证了车桥碰撞有限元模型的合理性。计算给出了不同吨位车辆的碰撞力时变曲线，讨论了碰撞力作用位置和幅值的变化规律，探讨了车桥碰撞中桥梁损伤等级的划分。模拟结果表明，车速不变情况下，碰撞力峰值随车重增加而增加，重车碰撞力峰值发生的时刻

2、有后延的趋势、碰撞力作用中心也以车辆前部首次接触区域为主，而车身较短的重车有可能出现后部车厢对桥墩的二次碰撞。中国4/vie　　关键词：车桥碰撞；损伤；碰撞力；数值模拟　　中图分类号：U441文献标识码：A　　随着现代交通运输的高速发展，城市桥梁基础设施建设不断增长，城市桥梁遭受车辆撞击事故屡见报端，造成的经济损失和人员伤害不容忽视，因而提高桥梁抗撞性能是亟待解决的问题。我国桥梁规范仅采用静力设计方法，对于无法设置防护工程的桥梁，汽车对墩柱的撞击力顺行车方向取1000kN，横向车行方向取500kN，没有考虑桥梁结构形式的差异，也没有区别车辆撞击时的行驶状态，如车重、车

3、速的影响。美国规范也采用类似的静力设计方法。欧洲规范，除了静力方法之外，还给出了以阶跃荷载为撞击力的动力设计方法，但建议的碰撞力幅值和碰撞持续时间公式是基于碰撞为硬碰撞（撞击物吸收全部撞击动能）或软碰撞（被撞击物吸收全部碰撞动能）假定，因而得出的碰撞力或者高于实际情况（硬碰撞），或者低于实际情况（软碰撞）。现行桥梁规范有关车桥碰撞的简单规定已经难以满足实际工程的需要。　　由于车桥碰撞足尺实验代价较大，这方面的实验研究并不多见。Buth等用36.3t重的汽车以80km/h的速度撞击直径0.9m的实心钢柱，目的在于获得峰值碰撞力结果，研究建议采用2669kN作为设计碰撞力

4、。由于该实验属于硬碰撞，因而所建议的碰撞力偏于保守。汽车碰撞桥梁上部结构以及防撞柱的试验研究对于车撞桥墩具有一定参考价值。张炎圣、何水涛、陆新征等在实验室进行过缩尺的上部桥梁构件受罐体冲击的碰撞试验，由于试验条件限制，碰撞速度设定为10km/h，�h远低于一般车辆行驶速度40～80km/h。肖岩等用6.8t重的卡车以42.3km/h的速度撞击钢管混凝土防撞柱，获得了车身加速度时程曲线和防撞柱柱顶位移曲线，并对碰撞试验的能量转换进行了分析，提出了防撞柱的简化设计方法。　　在车桥碰撞数值模拟研究方面，EI-Taa等采用精细化的汽车模型对桥墩进行了碰撞数值模拟，给出了对于桥

5、墩不同抗撞性能水平的动态抗剪承载力和动态剪力需求能力的分析方法。黄红武等仿真模拟了车辆与公路护栏的碰撞过程，指出碰撞分析中，车辆轮胎模型对碰撞计算结果有一定影响。邓露等分析了车辆行驶中的制动状态对车桥耦合动力响应的影响效应。上述车桥碰撞数值模拟研究均只是针对单柱墩桥型，也没有对碰撞过程中桥梁的破坏规律进行详细探讨。　　为了深入研究城市桥梁下部结构遭受重型车辆撞击的破坏模式和破坏机理，本文基于LS-DYNA显示动力分析软件建立了精细化重型车辆和具有上部结构及双柱墩支撑的整体桥梁模型，对车桥碰撞有限元模型进行了验证，对桥梁下部结构的破坏模式进行了探讨，并着重对碰撞力作用位

6、置和幅值变化规律进行了分析。　　1车桥碰撞有限元模型的建立　　1.1桥梁模型的建立　　选择某典型的城市桥梁结构作为研究对象，上部结构由桥面板、护栏、支撑桥面的工字型主梁和连接两跨上部结构的隔梁组成，桥梁下部结构由盖梁和双柱墩组成（如图1所示）。由于桥梁上部结构并非连续浇筑，因而只模拟下部结构和其上的两跨上部结构。　　上部结构的桥面板宽度为14.15m，厚度为0.2m，由6根间距2.4m的工字型大梁支撑，护栏高度0.83m，工字型大梁高度1.14m。桥梁上部结构模型根据文献建立。桥面板采用分层壳单元，区分钢筋层和混凝土层。混凝土护栏、工字型大梁和隔梁采用梁单元，橡胶支座

7、采用离散梁单元。由于研究的桥梁碰撞构件为桥墩，而桥梁受车辆碰撞的破坏模式具有典型的局部效应，即直接接触车辆的构件破坏严重而其他构件相对完好的特点，因而本文不考虑上部结构的破坏和掉落的极端情况。上部结构均采用线弹性材料（MAT001），橡胶支座采用非线性弹性材料（MATS04），这种材料允许在支座竖直方向定义抗压刚度，受拉刚度为零，水平方向同时定义拉压刚度，并且可以定义单元失效，能够实现桥梁下部结构破坏失效时上部结构和下部结构脱离连接。桥梁上部结构有限元模型如图2所示。　　桥梁的下部结构由双柱墩及盖梁组成。桥墩为圆形截面，直径1.07m，钢筋保护层厚度