超高車輛碰撞橋梁的有限元損傷分析

畢晨華，張永水

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院橋梁與隧道工程系，重慶 400074）

超高車輛碰撞橋梁的有限元損傷分析

畢晨華，張永水

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院橋梁與隧道工程系，重慶 400074）

基于ABAQUS有限元分析軟件，充分考慮鋼筋與混凝土的共同受力及混凝土的材料非線性，對(duì)超高車輛碰撞橋梁進(jìn)行仿真模擬。針對(duì)不同車速下超高車輛對(duì)橋梁的撞擊問題，分析車-橋的碰撞機(jī)理及撞擊對(duì)橋梁的損傷情況。分析發(fā)現(xiàn):碰撞速度越大，主梁應(yīng)力越大，且達(dá)到最大應(yīng)力所需的時(shí)間越短;碰撞對(duì)主梁的損傷破壞是非常大的，特別是受拉損傷，且損傷主要發(fā)生在碰撞的前半程。

橋梁;碰撞;ABAQUS;應(yīng)力;損傷

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展必然帶動(dòng)人們對(duì)交通的需求，為緩解地面交通的壓力，交通空間化、立交化日益明顯，大量的跨線橋等立體交通應(yīng)運(yùn)而生。但隨之而來的交通事故的發(fā)生率也在飛速增加。由于駕駛員的違規(guī)駕駛，管理體系不健全等原因，超高車輛與橋梁的碰撞事故屢見不鮮［1］。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，北京半數(shù)的橋梁被超高車輛撞過，撞橋事故每年都有幾十起［2］。

橋梁被撞后如不進(jìn)行快速有效的修復(fù)，將會(huì)給人們出行造成很大的不便，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也會(huì)造成很大的損失。進(jìn)行修復(fù)加固等措施的前提是對(duì)被撞橋梁的損傷程度進(jìn)行檢測和評(píng)估。目前國外對(duì)車-橋撞擊問題已經(jīng)做了很多研究，但我國尚未有橋梁結(jié)構(gòu)意外損傷評(píng)估體系。筆者針對(duì)橋梁被超高車輛碰撞的事故，對(duì)不同的速度撞擊狀況進(jìn)行有限元模擬及結(jié)構(gòu)損傷程度分析。

1 模型

1.1 有限元模型

本研究中主梁由3片剛性連接的鋼筋混凝土T梁組成，寬5.7 m，梁高1.7 m，跨度 13 m，兩端及跨中設(shè)橫隔板。采用C50的混凝土，普通鋼筋采用HRB335［3］。汽車為 40 t的重車。

由于ABAQUS能夠很好的模擬鋼筋混凝土且對(duì)瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)問題的分析特別有效［4］，故選用ABAQUS作為有限元分析軟件對(duì)該問題進(jìn)行計(jì)算分析。模型中汽車和主梁用實(shí)體單元模擬，鋼筋用桿單元模擬［5］?；炷帘緲?gòu)采用ABAQUS中提供的損傷塑性模型［6］。該模型假定混凝土材料主要因?yàn)槔扉_裂和壓縮破壞而破壞，在規(guī)范提供的混凝土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上［7］，引入損傷因子d的概念，當(dāng)損傷因子d=1是為完全損傷，即混凝土完全被破壞。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 分析工況

車輛的撞擊方向?yàn)檠刂髁旱臋M橋向垂直撞擊，位置為主梁跨中腹板外緣［8］，距馬蹄下緣40 cm處。與主梁的接觸面積為0.4 m2。撞擊時(shí)間為0.12 s。按不同的車速分為3個(gè)工況:工況1，車速50 km/h;工況2，車速60 km/h;工況3，車速70 km/h。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 主梁應(yīng)力

圖2為超高車輛速度為60 km/h時(shí)與主梁碰撞后，主梁的應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，碰撞開始時(shí)主梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在正碰點(diǎn)處，隨著碰撞的進(jìn)行，截面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，碰撞位置正上方的翼板處的應(yīng)力逐漸增大，同時(shí)，由于橫隔板的存在，應(yīng)力迅速向四周擴(kuò)散，混凝土屈服并進(jìn)入塑性狀態(tài)。

圖2 車速為60 km/h，主梁Mises應(yīng)力云圖Fig.2 Mises stress nephogram of girder at the speed of 60km/h

圖3中給出了不同碰撞速度下正碰點(diǎn)處的Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化。圖中可以看出在任意碰撞速度下，正碰點(diǎn)的Mises應(yīng)力都呈現(xiàn)先增大后減小的總趨勢，在0.01～0.03 s時(shí)有一段應(yīng)力的下降，是因?yàn)榕まD(zhuǎn)變形使得部分應(yīng)力得以釋放;還可以看出達(dá)到最大Mises應(yīng)力大概是在0.06～0.1 s的這段時(shí)間，碰撞速度越大，應(yīng)力越大，達(dá)到最大應(yīng)力的所需的時(shí)間也越短。

圖3 不同時(shí)速正碰點(diǎn)處主梁Mises應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.3 Mises stress displacement and time curve of girder at the positive bump point at different speed

2.2 損傷分析

圖4和圖5分別為碰撞速度為60 km/h時(shí)，主梁受壓損傷云圖和受拉損傷云圖，從圖中可以直觀的看出，這種碰撞對(duì)主梁的損傷破壞是非常大的，特別是受拉損傷。

圖4 車速60 km/h主梁受壓損傷云圖Fig.4 Plot contours of compressive damaged girder at the speed of 60 km/h

圖5 車速60km/h主梁受拉損傷云圖Fig.5 Plot contours of tensile damaged girder at the speed of 60 km/h

將主梁受拉、壓損傷單元數(shù)與總單元數(shù)的比值作為損傷程度，繪制如下主梁損傷程度時(shí)程曲線。由圖6和圖7可以看出，碰撞前半程，隨著時(shí)間的增長，受拉區(qū)混凝土裂紋不斷擴(kuò)展，到0.6 s時(shí)已有80%的受拉區(qū)混凝土遭受破壞，在0.06～0.1 s的這段時(shí)間受壓損傷程度增長迅速，而后達(dá)到最大值且漸漸保持平穩(wěn);速度越大，受拉、壓損傷程度越嚴(yán)重，車速為50 km/h時(shí)，90%的混凝土受拉破壞，半數(shù)的的受壓區(qū)混凝土被壓潰，由此可見超高車輛碰撞的危害性。

圖6 主梁受壓破壞損傷程度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curve of girder under pressure destruction damage degree

圖7 主梁受拉破壞損傷程度時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curve of girder under tensile destruction damage degree

3 結(jié)語

車橋碰撞是個(gè)很復(fù)雜的過程，ABAQUS能夠較好的對(duì)碰撞過程進(jìn)行仿真模擬，并得出其損傷情況。筆者針對(duì)不同速度的超高車輛對(duì)T梁的碰撞進(jìn)行了有限元模擬分析，結(jié)果如下:

1）碰撞過程中，正碰點(diǎn)處的應(yīng)力呈先增大后減小的總趨勢，車速越大應(yīng)力越大且達(dá)到最大應(yīng)力的時(shí)間越短;

2）碰撞速度越大，受拉、壓損傷程度越大;

3）碰撞對(duì)于橋梁的損傷破壞非常大，尤其是受拉破壞，文中3種不同速度均能使主梁的受拉損傷達(dá)到90%以上，受拉損傷主要發(fā)生在碰撞的前半程。

（References）:

［1］ 史曉斌.預(yù)防城市橋梁被車輛撞擊的探討［J］.市政技術(shù)，2009，27（5）:465-466.

SHI Xiao-bin.On crash proof for urban bridge caused by vehicle［J］.Municipal Engineering Technology，2009，27（5）:465-466.

［2］ 張炎圣，陸新征，寧靜，等.超高車輛撞擊組合結(jié)構(gòu)橋梁的仿真分析［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2007，25（3）:65-69.

ZHANG Yan-sheng，LU Xin-zheng，NING Jing，et al.Computer simulation for the impact between over-high truck and composite viaduct［J］.Traffic and Computer，2007，25（3）:65-69.

［3］ JTGD 60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009:189-195.

［5］ 裴小吟，文傳勇，張永水.城市橋梁被車輛撞擊后損傷分析初探［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30（1）:19-21.

PEI Xiao-yin，WEN Chuan-yong，ZHANG Yong-shui.Preliminary analysis on the collision damage of urban bridge caused by vehicle［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30（1）:19-21.

［6］ 張勁，王慶揚(yáng)，胡守營，等.ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數(shù)驗(yàn)證［J］，建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（8）:127-130.

ZHANG Jin，WANG Qing-yang，HU Shou-ying，et al.Parameters verification of concrete damaged plastic model of ABAQUS［J］.Structure of Building，2008，38（8）:127-130.

［7］ GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國建設(shè)部，2002.

［8］ 馬祥祿，高志升，張丹華.不同速度超高車輛撞下跨線橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析［J］.山西建筑，2009，35（20）:304-305.

MA Xiang-lu，GAO Zhi-sheng，ZHANG Dan-hua.Dynamic response analysis of flyover under collision of ultrahigh vehicle with different speeds［J］.Shanxi Architecture，2009，35（20）:304-305.

Damage Analysis on Collision between Over-High Truck and Bridge Based on FEM

BI Chen-hua，ZHANG Yong-shui
（Department of Bridge＆ Tunnel Engineering，School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on finite element analysis software ABAQUS，the collision between over-high truck and bridge is simulated，which considers the co-bearing of steel and concrete，as well as the material nonlinearity of concrete.According to the collision caused by over-high truck at different speed，the collision mechanism of car-bridge and the damage of bridge due to the collision are researched.Analysis shows that the higher the vehicle speed，the larger the stress of the girder，and the shorter the time needed to amount to the maximum stress;the damage of girder is very large due to the collision，especially the tension damage，and the damage mainly occurs in the first half of the collision.

bridges;collision;ABAQUS;stress;damage

U446.3;U447

A

1674-0696（2011）06-1294-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.08

2011-06-15;

2011-06-29

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（8102034）

畢晨華（1988-），女，山東日照人，碩士研究生，主要從事橋梁施工技術(shù)與工程（智能）控制技術(shù)方面的研究。E-mail:bichenhua@126.com。