混凝土防護(hù)方式對(duì)人行天橋車撞動(dòng)力響應(yīng)的影響分析

胡镕濤　王垚蓓　邵俊虎　張義正　陳小平

【摘 要】近年來不斷增多的車撞橋交通事故，對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和使用壽命造成了嚴(yán)重影響，橋墩的防護(hù)措施成為了橋墩設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。文章分析了不同的混凝土防護(hù)方式對(duì)人行天橋橋墩動(dòng)力響應(yīng)的影響。采用有限元軟件，建立了四種不同混凝土布置方式的橋墩有限元模型，并進(jìn)行了車撞橋數(shù)值模擬，得到了車輛撞擊橋墩時(shí)的撞擊力、橋墩應(yīng)力、橋墩頂部以及局部變形。研究結(jié)果表明：（1）外包混凝土防護(hù)與內(nèi)填混凝土防護(hù)都可以減小橋墩鋼管應(yīng)力大小;（2）外包混凝土防護(hù)與內(nèi)填混凝土防護(hù)都可以減小橋墩鋼管的局部變形和頂部變形;（3）不同的混凝土防護(hù)方式對(duì)撞擊力第一峰值影響都較小，外包混凝土的防護(hù)方式會(huì)減小撞擊力第二峰值。

【關(guān)鍵詞】車撞橋; 有限元; 混凝土防護(hù); 撞擊力; 動(dòng)力響應(yīng)

【中圖分類號(hào)】U443.26【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近年來，車撞橋墩事故不斷增多，其中大型車輛撞擊橋墩可能導(dǎo)致橋梁發(fā)生明顯開裂、垮塌，對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)與人身安全都造成嚴(yán)重影響。小型車撞擊橋墩后，車輛變形較大，損傷明顯，橋墩雖然變形較小，但其結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和使用壽命仍會(huì)受到一定程度的影響。2019年5月15號(hào)，104國(guó)道東郭段上跨甬金高速，東郭立交橋下，側(cè)翻的一輛集裝箱車撞擊到橋墩，導(dǎo)致104國(guó)道東郭立交橋立柱多處開裂，見圖1。2020年1月20日清晨7時(shí)左右，鄭州一輛網(wǎng)約車出車時(shí)突然失控撞上隴海路立交橋下水泥墩，橋墩無明顯變形損傷，見圖2。

陸勇和曹立波[1]運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA和MADYMO模擬車輛與墩柱的碰撞。通過對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與所采集到的事故數(shù)據(jù)，得出了實(shí)際的撞擊事故能通過有限元仿真技術(shù)較好地反映。程海根和鄒江娜[2]采用LS-DYNA有限元軟件分析車輛與橋墩的碰撞，研究碰撞發(fā)生時(shí)撞擊角度對(duì)橋梁的影響。崔堃鵬等[3]采用LS-DYNA有限元軟件，分析了Ford卡車以不同速度撞擊橋墩的撞擊力特性。曾詳國(guó)等[4]采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，分析了不同撞擊速度下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)，獲得了動(dòng)態(tài)撞擊力時(shí)程曲線，同時(shí)計(jì)算了撞擊力評(píng)價(jià)指標(biāo)，并與美國(guó)、歐洲、中國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范作比較。王鵬[5]基于ANSYS有限元分析軟件，研究了不同車輛質(zhì)量、撞擊速度、撞擊角度對(duì)有無外包混凝土防護(hù)橋墩的動(dòng)力響應(yīng)的影響。耿春生等[6]采用ABAQUS有限元軟件，研究了不同車輛質(zhì)量、撞擊速度對(duì)沖擊力、混凝土應(yīng)力、混凝土損傷程度的影響。馮明楊等[7]利用擺錘撞擊模型墩柱試驗(yàn)，研究了橡膠混凝土覆層對(duì)模型墩柱的自振特性、不同撞擊速度下的撞擊響應(yīng)峰值及振動(dòng)衰減規(guī)律的影響。

綜上所述，在車輛撞擊橋墩的研究中，多是通過改變車輛模型、橋墩尺寸、增加防護(hù)裝置、改變防護(hù)材料等方式研究車橋碰撞的動(dòng)力響應(yīng)，少有探究不同混凝土防護(hù)方式對(duì)車橋碰撞的動(dòng)力響應(yīng)的影響?；谝陨戏治?，本文分析了不同混凝土防護(hù)方式對(duì)橋墩保護(hù)的有效性，基于LS-DYNA有限元軟件建立了車撞橋的有限元模型，并得到了橋墩的動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)比橋墩的應(yīng)力變化、橋墩變形、撞擊力變化，得出了較優(yōu)的混凝土防護(hù)方式。旨在對(duì)今后的橋墩防撞的設(shè)計(jì)提供一定參考作用。

1 車橋碰撞有限元模型

有限元模型中，車輛原型為福特金牛（Taurus-V02），該模型為美國(guó)國(guó)家碰撞中心（NationalCrashAnalysisCenter， NCAC）開發(fā)的車輛模型。撞擊質(zhì)量為1.37 t，撞擊速度為50 km/h。車輛輪胎、座位的連接部位采用*MAT_RIGID材料，車輛外殼采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料，鋼管均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[8]動(dòng)力塑性材料;鋼管防護(hù)采用C30混凝土，有限元軟件中均采用*MAT_ELASTIC[8]材料，混凝土材料與鋼管材料參數(shù)，見表1。本文將橋墩底部單元與地面固結(jié)，約束橋墩底部節(jié)點(diǎn)X、Y、Z 3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。由于車撞橋過程中，主要關(guān)注部位為橋墩，因此，本文僅僅建立了橋墩的有限元模型，忽略上部結(jié)構(gòu)的影響，有限元模型見圖3。

2 混凝土防護(hù)方式對(duì)人行天橋車撞動(dòng)力響應(yīng)的影響分析

2.1 數(shù)值仿真工況

經(jīng)仿真碰撞模擬后得出，碰撞過程在0.15 s內(nèi)結(jié)束，故工況模擬的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)為0.15 s。設(shè)置四種計(jì)算工況，見表2。四種橋墩模型見圖4，模型A為空心鋼管橋墩，沒有外包、內(nèi)填任何混凝土。橋墩模型B在模型A基礎(chǔ)上僅內(nèi)填一定高度混凝土。橋墩模型C在模型A基礎(chǔ)上僅外包一定高度混凝土。橋墩模型D在模型A基礎(chǔ)上外包一定高度混凝土的同時(shí)內(nèi)填一定高度混凝土。

2.2 能量轉(zhuǎn)化

本文以工況4，車輛撞擊橋墩模型D為例，得到的能量轉(zhuǎn)化圖，見圖5。總能量由動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能、滑移能組成。在碰撞最開始，總能量為初始動(dòng)能。隨著車輛與橋墩開始碰撞，動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，沙漏能和滑移能小幅度增加。其中大部分能量由動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。在碰撞后總能量有微小下降，這是有限元軟件的誤差造成的，碰撞結(jié)束后沙漏能小于總能量的5 %，計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2.3 車輛及橋墩的動(dòng)力響應(yīng)與最優(yōu)防護(hù)方式

2.3.1 撞擊力

車輛撞擊力峰值是車輛撞擊后變形情況的直接反應(yīng)，也是衡量橋墩破壞程度的一個(gè)重要指標(biāo)。本節(jié)提取四種工況下車輛撞擊橋墩的撞擊力時(shí)程，見圖6。

四種工況下，隨著碰撞過程的持續(xù)，撞擊力均先增大至第一次撞擊力峰值，第一峰值發(fā)生在車頭前的保險(xiǎn)杠撞擊受壓時(shí)，然后撞擊力先減小再上升，達(dá)到第二次撞擊力峰值，第二峰值發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)受壓時(shí)。由于車輛動(dòng)能不斷減少，撞擊力逐漸減小為0。

四種工況下，撞擊力第一峰值均發(fā)生在0.048 s，最大撞擊力為在0.47 MN左右，變化微小。撞擊力第二峰值均發(fā)生在0.077 s，峰值有較大變化，其中工況2的第二峰值最高，達(dá)到了0.433 MN，其次為工況1，第二峰值最大值為0.393 MN，工況3、工況4的第二峰值最低，均為0.355 MN。

綜上可知，僅設(shè)置外包混凝土防護(hù)與既設(shè)置外包混凝土防護(hù)又設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)都可以有效減小撞擊力第二峰值。而僅設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)會(huì)增大第二撞擊力?；炷练雷o(hù)方式的不同對(duì)撞擊力第一峰值大小基本無影響、對(duì)撞擊作用時(shí)間基本無影響。

2.3.2 橋墩應(yīng)力分析

本節(jié)提取四種工況下鋼管所受最大應(yīng)力時(shí)刻的Misses應(yīng)力云圖，見圖7。

工況1在沒有混凝土的防護(hù)的情況下，鋼管所受應(yīng)力在0.045 s達(dá)到了最大值358.9 MPa。工況2在有內(nèi)填混凝土的情況下，鋼管所受應(yīng)力在0.075 s達(dá)到最大值55.65 MPa，相對(duì)工況1減少了6.45倍。工況3在有外包混凝土的情況下，鋼管所受應(yīng)力在0.045 s達(dá)到最大值63.37 MPa，相對(duì)工況1減小了5.4倍。工況4在既有外包混凝土又有內(nèi)填混凝土情況下，鋼管所受應(yīng)力在0.075 s達(dá)到最大值7.261 MPa，相對(duì)工況1減小了49.4倍。

綜上可知，對(duì)沒有任何混凝土防護(hù)的鋼管橋墩，設(shè)置外包混凝土防護(hù)、內(nèi)填混凝土防護(hù)都可以有效地減小鋼管所受到的應(yīng)力，且設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)的效果與僅設(shè)置外包混凝土防護(hù)的效果相當(dāng)。既設(shè)置外包混凝土防護(hù)又設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)的效果最好。

2.3.3 橋墩頂部與局部變形深度

本節(jié)提取四種工況下，橋墩頂部與局部的變形見圖8、圖9。

工況1中鋼管的局部撞擊點(diǎn)最大變形為1.35 mm，鋼管頂部最大變形為3.94 mm。工況2中鋼管局部最大變形為0.05 mm，頂部最大變形為0.58 mm，相對(duì)工況1鋼管變形分別減少了27倍與6.8倍。工況3中鋼管的局部最大變形為0.179 mm，頂部最大變形為1.18 mm，相對(duì)工況1鋼管變形分別減少了7.5倍與3.33倍。工況4中鋼管局部最大變形為0.019 mm，鋼管頂部最大變形為0.28 mm，相對(duì)工況1鋼管變形分別減少了71倍與14倍。

綜上可知，對(duì)沒有任何混凝土防護(hù)的鋼管橋墩，設(shè)置外包混凝土防護(hù)、內(nèi)填混凝土防護(hù)均可以減小鋼管的頂部和局部變形。僅設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)方式比僅設(shè)置外包混凝土的防護(hù)方式對(duì)鋼管變形的保護(hù)效果更好。既設(shè)置外包混凝土又設(shè)置內(nèi)填混凝土的防護(hù)方式對(duì)鋼管起到的保護(hù)效果最好。

2.3.4 不同防護(hù)方式的效果

綜上可知，不同的混凝土防護(hù)方式對(duì)橋墩的保護(hù)程度不同，既設(shè)置外包混凝土防護(hù)又設(shè)置內(nèi)填混凝土防護(hù)的效果在各方面的效果均最優(yōu)，見表3。同時(shí)，僅內(nèi)填混凝土防護(hù)會(huì)增大撞擊力第二峰值，且在碰撞過后，內(nèi)填混凝土難以修復(fù)，而外包混凝土不僅不會(huì)增大撞擊力第二峰值，而且在實(shí)際生活中也更易修復(fù)、易更換、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。綜上所述，既外包又內(nèi)填的混凝土防護(hù)方式可以最高效地保護(hù)橋墩。同時(shí)，綜合各方面因素，在實(shí)際生活中，也可以使用僅外包混凝土的防護(hù)方式。

3 結(jié)論

本文基于LS-DYNA有限元軟件建立了車撞橋有限元模型，并分析了四種不同混凝土布置方式對(duì)車撞橋的動(dòng)力響應(yīng)的影響，同時(shí)得出了其中較優(yōu)的混凝土防護(hù)方式，結(jié)論如下：

（1）僅外包混凝土防護(hù)與同時(shí)設(shè)置兩種混凝土防護(hù)均可以減小撞擊力第二次峰值，但對(duì)第一次峰值幾乎無影響，對(duì)撞擊力作用時(shí)間幾乎無影響。

（2）外包混凝土防護(hù)與內(nèi)填混凝土防護(hù)均可有效的減小橋墩鋼管所受到的應(yīng)力。同時(shí)設(shè)置兩種混凝土防護(hù)效果最好。

（3）外包混凝土防護(hù)與內(nèi)填混凝土防護(hù)均可減小橋墩鋼管的局部變形和頂部變形，且僅內(nèi)填混凝土防護(hù)比僅外包混凝土防護(hù)的效果更好，同時(shí)設(shè)置兩種混凝土防護(hù)效果最好。

參考文獻(xiàn)

[1]陸勇，曹立波.對(duì)汽車撞柱的仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2006（1）：28-31.

[2]程海根，鄒江娜.用LS-DYNA仿真車-橋墩碰撞時(shí)角度對(duì)橋梁的影響[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（6）：19-24.

[3]崔堃鵬，夏禾，夏超逸，等.汽車撞擊橋墩瞬態(tài)撞擊力的等效靜力計(jì)算[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33（4）：48-53+69.

[4]曾祥國(guó)，朱文吉，唐光武，等.車輛撞擊下橋墩動(dòng)力響應(yīng)與撞擊力的數(shù)值分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2012，44（S2）：171-174.

[5]王鵬，李睿，姚激，徐征.車輛撞擊外包混凝土防護(hù)橋墩數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)水運(yùn)：下半月，2018，18（8）：47-49.

[6]耿生春.汽車撞擊橋墩損傷分析[J].天津建設(shè)科技，2017，27（2）：61-63.

[7]馮明揚(yáng)，劉保東，張敏強(qiáng)，等.外包橡膠混凝土覆層對(duì)梁式橋墩防撞性能影響的試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2020，39（2）：269-274.

[8]LSTC. LS-DYNA. Keyword user’s manual[M]. Livermore Software Technology Corporation; 2015.

[定稿日期]2021-01-20

[基金項(xiàng)目]四川省科技計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)：2017JY0514）;國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：51878564）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFB1200401）

[作者簡(jiǎn)介]胡镕濤（2000～），男，在讀本科，研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭?/p>