快速更換式防落物墻防撞性能分析

劉詩文 許三平 郗宏慶

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063；3.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

0 引言

公路與市政橋梁上跨公路、鐵路等重要構(gòu)筑物時，為避免對其下建筑的運(yùn)營安全造成影響，需設(shè)置有效的防落物設(shè)施［1］。常見的防落物設(shè)施為防落物網(wǎng)，防落物網(wǎng)通常采用鋼絲網(wǎng)加鋼立柱結(jié)構(gòu)形式，具有自重較輕、通透性好、美觀協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但因網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)剛度不足，無法承受車輛碰撞、貨物側(cè)翻等沖擊。尤其對于上跨高速鐵路、繁忙干線鐵路的橋梁，為避免沖擊性物體沖破防落物網(wǎng)造成重大安全事故和財(cái)產(chǎn)損失，需要一種剛度大、抗沖擊的新型防落物結(jié)構(gòu)。同時為降低防落物結(jié)構(gòu)保養(yǎng)維護(hù)過程中對其下建筑物的影響，需要具備快速安拆的特性。

目前，國內(nèi)外有關(guān)跨線橋防落物結(jié)構(gòu)技術(shù)研究相對較少，而對護(hù)欄的防撞性能研究較多。2016年，韓海峰等[2]設(shè)計(jì)了一款新型SS級梁柱式鋼護(hù)欄，通過碰撞仿真模擬及實(shí)車足尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證其防撞性能。2020年，甘新眾[3]等通過有限元碰撞分析結(jié)合正交試驗(yàn)研究確定了半掛車撞擊護(hù)欄時的等效整體車輛模型。2021年，唐俊義［4］等提出一種便于施工和維護(hù)的新型裝配式橋梁人-車隔離防撞護(hù)欄，通過有限元分析驗(yàn)證其防撞性能優(yōu)于傳統(tǒng)護(hù)欄。

本文參照《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）及護(hù)欄防撞相關(guān)研究成果[5]，設(shè)計(jì)出一種可快速更換式防落物墻，通過建立墜落物-防落物墻有限元模型分析典型碰撞情形和非線性碰撞全過程，闡述防落物墻結(jié)構(gòu)在落物作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和操作演化模式，以檢驗(yàn)本結(jié)構(gòu)的防墜落抗沖擊性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為快速更換式防落物墻總體示意圖，由預(yù)埋件和墻式鋼結(jié)構(gòu)兩部分組成，在混凝土防撞護(hù)欄頂部設(shè)置預(yù)埋件，將預(yù)制的墻式鋼結(jié)構(gòu)吊裝，通過手孔采用螺栓與預(yù)埋件進(jìn)行連接。鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)件高1.60m，單片長2.00m，頂部寬0.23m，迎撞鋼板厚10mm，在迎撞面鋼板之間設(shè)置8mm厚豎向加勁肋，墻式鋼結(jié)構(gòu)底部前后交替設(shè)置螺栓群，每組螺栓群采用16個M18螺栓與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接；基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板上部焊接螺栓連接板，下部設(shè)置直徑20mm鋼筋錨固于防撞墻混凝土內(nèi)（見圖2）。

圖1 防落物墻裝置總體示意圖

圖2 防落物墻裝置正立面圖

2 落物碰撞仿真模擬及驗(yàn)證

2.1 碰撞情形分析

2.1.1 撞擊物選擇

根據(jù)《汽車運(yùn)價規(guī)則》公路運(yùn)輸?shù)呢浳镱悇e分為普通貨物和特種貨物兩種。特種貨物分為大型特型笨重物件、危險(xiǎn)貨物、貴重貨物、鮮活貨物四類，這些貨物對運(yùn)輸、裝卸、保管有特殊要求，運(yùn)次相對較少且重視程度較高，事故發(fā)生概率較小，且如若發(fā)生事故一般為大型事故，已不在防落物墻防護(hù)能力。故撞擊物按照普通貨物進(jìn)行選擇，撞擊物匯總見表1、圖3。

表1 碰撞物匯總表

圖3 碰撞物品示意圖

2.1.2 碰撞條件分析

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）的要求，規(guī)定防護(hù)代碼SS的護(hù)欄對應(yīng)防護(hù)等級為六級。實(shí)車碰撞，其防護(hù)等級為六的碰撞條件應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段、護(hù)欄過渡段和中央分隔帶開口護(hù)欄的試驗(yàn)碰撞條件

2.1.3 撞擊高度分析

規(guī)范《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）對貨車及其配重貨物的主要技術(shù)參數(shù)要求如表3所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知配載貨物的重心最高為2112mm，即貨車與護(hù)欄撞擊后，落物飛出時重心的最高高度為2112mm。

表3 貨車主要技術(shù)參數(shù)要求

2.2 碰撞分析工況

根據(jù)前文的落物類型和碰撞情形研究，擬定如下4個碰撞工況(表4、圖4）。

表4 碰撞工況匯總表

圖4 碰撞工況示意圖

2.3 碰撞仿真分析

落物對防落物墻裝置的碰撞分析采用動力數(shù)值模擬方法進(jìn)行仿真計(jì)算，分別建立相應(yīng)的防落物墻裝置-落物的精細(xì)有限元模型，采用LS-DYNA軟件的單精度求解器進(jìn)行碰撞仿真分析，給出各計(jì)算工況中的撞擊物速度、撞擊力、防落物墻裝置內(nèi)力響應(yīng)等動態(tài)時程結(jié)果，并對其進(jìn)行總結(jié)及分析。

防落物墻裝置的防撞護(hù)欄材料為C40混凝土，密度ρ=2500 kg/m3，彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比ν=0.2，采用六面體實(shí)體單元，單元邊長20mm；防落物墻裝置的鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)件主要材料為Q235鋼材，密度ρ=7850kg/m3，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，采用四邊形殼單元，單元邊長20mm。每節(jié)段防落物墻裝置的模型共有181678個單元，其中28567個殼單元、153111個實(shí)體單元，有限元模型如圖5所示。

圖5 各開挖步下地表沉降曲線

圖5 防落物墻裝置有限元模型

工況1落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖6（a）所示碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-2.60m/s，即落物1碰撞防落物墻裝置后，遠(yuǎn)離防落物墻裝置落下。圖6（b）所示為碰撞工況1的每延米撞擊力時程曲線，可以看出撞擊力最大為268.10kN；由圖6（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為550kN。

圖6 工況1時程曲線

工況2落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖7（a）所示碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.40m/s，即落物2碰撞防落物墻裝置后，遠(yuǎn)離防落物墻裝置落下。圖7（b）為碰撞工況2的每延米撞擊力時程曲線，可以看出撞擊力最大為268.80kN；由圖7（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為417kN。

圖7 工況2時程曲線

工況3落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖8（a）所示鋼管形落物前端碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.80m/s，即多個鋼管形落物碰撞防落物墻裝置后，遠(yuǎn)離防落物墻裝置落下。圖8（b）所示為碰撞工況3的每延米撞擊力時程曲線，鋼管形落物前端碰撞后，撞擊力為95.60kN，后端碰撞后撞擊力最大為166.00kN；由圖8（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為356kN。

圖8 工況3時程曲線

工況4落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖9（a）所示鋼管形落物碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.90m/s，即工況4落物碰撞防落物墻裝置后，遠(yuǎn)離防落物墻裝置落下。圖9（b）所示為碰撞工況4的每延米撞擊力時程曲線，鋼管形落物前端碰撞后，撞擊力為98.65kN，后端碰撞后撞擊力最大為132.90kN；圖9（c）所示，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為176kN，抗沖擊性能評估見表5。

表5 各工況下抗沖擊性能評估

圖9 工況4時程曲線

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用人工激勵法激發(fā)鋼結(jié)構(gòu)防落物墻的振動，確定試驗(yàn)項(xiàng)目的固有頻率、模態(tài)開關(guān)、動態(tài)響應(yīng)等參數(shù)，從而宏觀上判斷鋼結(jié)構(gòu)防落物墻的整體剛度和運(yùn)行性能。

為了盡可能充分地捕捉到鋼結(jié)構(gòu)防落物墻在動態(tài)激勵下的響應(yīng)，本試驗(yàn)主要布置6組試驗(yàn)工況，即在鋼結(jié)構(gòu)防落物墻1/2高度以上的6個不同掛鉤區(qū)域分別激勵（如圖10所示），采集相關(guān)信號。鋼結(jié)構(gòu)防落物墻振動測試傳感器的布局根據(jù)結(jié)構(gòu)形式確定。根據(jù)理論計(jì)算得出的振動模型的近似形狀，將傳感器布置在位移較大的位置，以測量結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。各工況下鋼結(jié)構(gòu)防落物墻裝置現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。通過對測得的動力響應(yīng)信號進(jìn)行分析，對比有限元分析所得結(jié)論如下：

表6 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

圖10 防落物墻裝置現(xiàn)場試驗(yàn)照片

（1）鋼結(jié)構(gòu)防落物墻裝置的自振頻率為26.8Hz～29.7Hz，有限元計(jì)算一階自振頻率均為24.0Hz，表明鋼結(jié)構(gòu)防落物墻裝置的自振頻率在整體剛度上略高于理論值，滿足要求。

（2）在試驗(yàn)過程中，鋼結(jié)構(gòu)防落物墻裝置各結(jié)構(gòu)反應(yīng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常情況。

3 防落物墻力學(xué)性能評估

為確保防落物墻螺栓連接與基礎(chǔ)預(yù)埋件在沖擊力作用下不致破壞傾覆，螺栓連接處承載力需大于碰撞過程中最大剪力。此外，螺栓連接作為基礎(chǔ)預(yù)埋件的能力保護(hù)構(gòu)件，其承載力需小于基礎(chǔ)預(yù)埋件承載力。

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.9條[6]計(jì)算連接螺栓處受剪承載力：

式中：

n v——受剪面數(shù)，本結(jié)構(gòu)取1，考慮僅有一面有拼接板，采用0.9折減系數(shù)；

d——螺栓桿直徑；

——螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

根據(jù)上文研究，防落物墻在螺栓連接處最大剪力為550kN，小于螺栓受剪承載力604kN，螺栓連接承載能力滿足要求。

按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）9.7.2條[7]計(jì)算所需錨筋總截面面積不小于As1和As2的較大值：

式中：

V——剪力設(shè)計(jì)值，取表5中最大撞擊力268.8kN；

N——法向力設(shè)計(jì)值，取0；

M——彎矩設(shè)計(jì)值，取螺栓連接最大剪力604kN與內(nèi)外側(cè)鋼板間距0.15m的乘積，即90.6kNm；

αr——錨筋層數(shù)影響系數(shù)，本結(jié)構(gòu)為兩層，取1.0；

αv——錨 筋 受 剪 承 載 力 系 數(shù)，

αb——錨板的彎曲變形折減系數(shù)，錨板厚度t=24mm；

fy——錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360MPa；

z——沿剪力作用方向最外層錨筋線之間的距離，取150mm。

錨筋采用直徑20mm，順橋向間距125mm，橫向間距150mm，總面積為5024mm2，大于計(jì)算所需錨筋總面積4660mm2。即預(yù)埋件承載力大于防落物墻連接處承載力，可保證基礎(chǔ)預(yù)埋件不致?lián)p壞。

4 結(jié)束語

（1）防落物墻體與基礎(chǔ)采用螺栓連接，施工人員在橋面即可施擰螺栓，便于安裝與養(yǎng)護(hù)維修；螺栓連接抗剪承載力大于四種落物撞擊產(chǎn)生的最大剪力，說明該防落物墻裝置耐沖擊性能較為出色。

（2）根據(jù)計(jì)算，基礎(chǔ)預(yù)埋件的承載能力大于螺栓連接承載能力，即防落物墻裝置遭遇撞擊后螺栓連接位置先于預(yù)埋件破壞，保證了防落物墻裝置的可維修性。

（3）有限元計(jì)算結(jié)果中，選取的四種落物撞向防落物墻裝置后，速度橫橋向分量均朝向橋梁內(nèi)側(cè)，體現(xiàn)出防落物墻裝置較好的防落物能力。

（4）采用人工激勵法對鋼結(jié)構(gòu)防落物墻裝置進(jìn)行現(xiàn)場檢測，實(shí)測自振頻率略大于有限元計(jì)算的自振頻率，說明有限元計(jì)算選取的材料參數(shù)、邊界條件科學(xué)合理。