城市橋梁上部結構防撞裝置防護性能分析

李選棟，孔令云

（鄭州市市政工程勘測設計研究院，河南 鄭州 450046）

0 引 言

隨著機動車保有量的快速增長，城市跨線橋梁遭受車輛撞擊問題日益突出。2019年5月，杭州某過街人行天橋受運輸特種裝備的大型超高車輛撞擊后導致落梁垮塌，帶來了較大的經(jīng)濟損失和不良社會影響，為橋梁防撞裝置設計與建造敲響了警鐘。為降低超高車輛撞擊對橋梁上部結構的損傷程度，對跨線橋梁的上部結構設置必要的防護裝置是非常必要的。

本文以一座跨徑20m的裝配式預應力混凝土空心板橋為例，采用有限元數(shù)值仿真分析方法，提出了3種典型的上部結構防護裝置，并分別建立了超高車輛—被撞橋梁—防護裝置耦合模型，分析了超高車輛碰撞作用下防護裝置對被撞主梁的防護效果，為今后進一步推廣應用進行了探討。

1 模型建立

1.1 工程概況

算例采用一座單跨20 m裝配式預應力混凝土空心板梁橋，橋面全寬8.0 m，由4片中板和2片邊板組成（見圖1）。空心板高0.9 m，混凝土強度等級為C50，預應力鋼筋采用公稱直徑15.2 mm的高強低松弛鋼絞線。

圖1 橋梁典型橫斷面（單位：m）

超高車輛模型采用美國國家碰撞分析中心（NCAC）提供的標準雙軸卡車有限元模型，車輛空載時凈重6.0 t，車身總長8.54 m，最大寬度2.44 m，車輪軸距為5.29 m（見圖2）。此處通過對車輛貨物的密度進行修改，使車輛總質量（車身凈重與載重之和）為20 t。

圖2 超高車輛（單位：m）

1.2 有限元數(shù)值模擬

橋梁混凝土強度結構采用連續(xù)光滑帽蓋模型模擬混凝土的受力行為和損傷特征[1]，預應力鋼筋采用公稱直徑15.2 mm的高強低松弛鋼絞線，預應力荷載通過等效降溫法進行模擬。普通鋼筋采用雙線性隨動強化模型進行模擬。建立的橋梁、超高車輛有限元模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁有限元模型

圖4 超高車輛有限元模型

在數(shù)值模擬計算中，計算結果對網(wǎng)格尺寸有較強的依賴性，理論上網(wǎng)格尺寸越小，計算的精度會越高。但網(wǎng)格尺寸過小，計算效率會大大降低，并且會增加計算機棧溢出的風險。為驗證車輛撞擊下數(shù)值模型網(wǎng)格尺寸的收斂性，分別建立80 mm、40 mm和10 mm三種不同網(wǎng)格尺寸的有限元模型。三種網(wǎng)格尺寸下的車輛碰撞力如圖5所示。從中可以看出，當碰撞區(qū)域有限元網(wǎng)格尺寸為80 mm時，車輛撞擊力與網(wǎng)格尺寸為40 mm和10 mm時有一定程度偏離，而40 mm和10 mm網(wǎng)格尺寸下的車輛碰撞力除峰值力有差別外，其他時刻兩者碰撞力大小吻合程度較高?；谟嬎阈屎途瓤紤]，碰撞區(qū)域的有限元網(wǎng)格尺寸大小劃分為40 mm，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為100 mm。

圖5 不同網(wǎng)格尺寸下車輛碰撞力（單位：MN）

2 三種不同防撞裝置防護性能分析

2.1 薄壁鋼管防護裝置的防護性能

（1）薄壁鋼管防護裝置簡介

清華大學陸新征等[2]最早針對橋梁上部結構的防護問題開展了研究工作，并且針對鋼箱梁橋和預應力T梁橋上部結構的防護提出了一種鋼板-薄壁鋼管的防護裝置。這種防護裝置主要通過薄壁鋼管的變形耗能來吸收部分車輛撞擊能量，進而降低其對主梁結構的損傷。本節(jié)參考文獻[2]的設計方法，對預應力混凝土空心板橋采用同樣的緩沖耗能裝置，分析其在超高車輛撞擊下對主梁的防護性能。薄壁鋼管緩沖裝置的平面尺寸和有限元模型如圖6所示，鋼板長5 m，寬0.34 m，厚3 cm，材料本構雙線性隨動強化模型進行模擬；薄壁鋼管長0.5 m，寬0.3 m，垂直于鋼板厚度方向高度為0.3 m，薄壁鋼管厚度取值為3 mm，本構模型采用分段線性塑性材模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY進行模擬，鋼板和薄壁鋼管的屈服強度均為235 MPa。

圖6 薄壁鋼管緩沖裝置尺寸及有限元模型

（2）車輛碰撞力對比

圖7給出了橋梁上部結構在超高車輛撞擊下有無緩沖防護裝置時的碰撞力時程曲線。從圖7（a）中可以看出，采用薄壁鋼管緩沖裝置后，碰撞力的峰值力由6.09 MN變?yōu)?.02 MN，降低了大約18%。這主要是由于設置防護裝置后，車輛未與主梁直接發(fā)生撞擊行為，防護裝置的變形耗能導致車輛與其碰撞后碰撞峰值力降低，在之后的碰撞過程中，碰撞力處于動態(tài)變化當中，但在碰撞過程中絕大部分時間均小于未設置防護結構的車輛撞擊力，同時車輛與橋梁上部結構的碰撞時間也有一定程度降低。從圖7（b）中可以看出，安裝薄壁鋼管緩沖裝置后，橋梁結構受到的橫向碰撞力和豎向碰撞力均有一定程度衰減，從而很好地避免了被撞橋梁由于受到較大的碰撞力而出現(xiàn)損傷。

圖7 車輛撞擊下薄壁鋼管緩沖裝置碰撞力時程曲線（單位：MN）

（3）結構塑性損傷分析

圖8給出了橋梁上部結構在超高車輛撞擊下有無緩沖防護裝置時的塑性損傷云圖。從圖8中可以看出，采用薄壁鋼管緩沖裝置后，主梁的損傷情況明顯得到改善，在超高車輛撞擊下，車輛始終未與主梁腹板發(fā)生接觸行為，其對被撞梁的刮擦接觸能力大大降低，主梁被撞區(qū)域僅出現(xiàn)了輕微的塑性損傷現(xiàn)象，混凝土單元無失效行為。

圖8 車輛撞擊下薄壁鋼管緩沖裝置及被撞梁塑性損傷云圖

2.2 泡沫鋁材防護裝置的防護性能

（1）泡沫鋁材防護裝置簡介

泡沫鋁材由于內部構造多孔的特殊性而具有良好的變形耗能作用。本節(jié)參考文獻[3]中針對鋼筋混凝土柱的防護技術，對預應力混凝土空心板橋采用泡沫鋁材對被撞梁進行防護。

圖9給出了泡沫鋁材的幾何尺寸和有限元模型圖。防護裝置由兩層5 mm厚的薄鋼板和一層300 mm厚的泡沫鋁材耗能材料組成，整個防護裝置長5 m、寬0.3 m、高0.5 m。其中，薄鋼板采用可以考慮其應變率效應的分段線性塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY進行模擬，泡沫鋁材采用*MAT_CRUSHABLE_FORM本構模型。其應變力-應變關系及其他材料參數(shù)均參考文獻[4]取值，彈性模量取值為1 000 MPa，拉伸應力為10 MPa，阻尼系數(shù)取0.1。

圖9 泡沫鋁材防護裝置的尺寸及有限元模型

（2）車輛碰撞力對比

采用泡沫鋁材防護裝置后，結構在車輛撞擊下的碰撞力時程曲線如圖10所示。從圖10（a）可以看出，采用泡沫鋁材作為防護裝置后，碰撞力的峰值力由未設置防護裝置的6.09 MN變?yōu)?.74 MN，降低了大約23%。這主要是由于泡沫鋁材的變形耗能作用導致車輛與防護裝置碰撞后碰撞峰值力降低，在之后的碰撞過程中，碰撞力處于動態(tài)變化當中，但在碰撞過程中絕大部分時間均小于未設置防護結構的車輛撞擊力，同時車輛與橋梁上部結構的碰撞時間有了較大幅度的降低。從圖10（b）中可以看出，采用泡沫鋁材防護裝置后，橋梁結構受到的橫向碰撞力和豎向碰撞力均有一定程度衰減，從而很好地避免了被撞梁由于受到較大的碰撞力出現(xiàn)損傷。

圖10 車輛撞擊下泡沫鋁材防護裝置碰撞力時程曲線（單位:MN）

（3）結構塑性損傷分析

橋梁上部結構采用泡沫鋁材防護裝置后，被撞梁和防護裝置在車輛撞擊下的塑性損傷云圖如圖11所示。安裝泡沫鋁材緩沖吸能裝置后，橋梁上部結構和防護裝置在車輛撞擊下的損傷情況如圖11所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，在車輛撞擊后，泡沫鋁材的損傷較為嚴重，與車廂直接接觸區(qū)域出現(xiàn)了單元的失效刪除現(xiàn)象，而被撞梁撞擊區(qū)域無明顯塑性損傷。因此，泡沫鋁材對于超高車輛撞擊橋梁上部結構具有較好的防護效果，可以使被撞梁免受損傷，進而導致承載力下降嚴重。

圖11 車輛撞擊下泡沫鋁材防護裝置及被撞梁塑性損傷云圖

2.3 P VA-UHTCC復合材料-薄鋼管防護裝置防護性能

（1）防護裝置簡介

本節(jié)參考文獻[4]橋墩的防撞設計思路，提出適用于橋梁上部結構的超高韌性水泥基復合材料-薄鋼管新型防護裝置。這種防護裝置主要通過鋼管和橡膠的變形耗能來起到緩沖作用，同時采用摻有PVA纖維的超高韌性水泥基復合材料，利用其韌性高、抗沖擊性能強的特點使其與車輛直接發(fā)生碰撞，避免車廂直接與主梁發(fā)生接觸，從而起到保護被撞橋梁的作用。

整個防護裝置如圖12所示，由PVA-UHTCC混凝土板、鋼管、鋼板、鋼筋網(wǎng)和橡膠層組成，鋼板一側與橋梁主梁焊接安裝，PVA-UHTCC混凝土板一側直接受車輛的撞擊，橡膠層和鋼管防護裝置的耗能部件，在車輛撞擊下吸收能量，進而起到保護被撞結構的作用。PVA-UHTCC混凝土板的材料模型采用Holmquist-Johnson-Cook（HJC）動態(tài)本構模型。模型參數(shù)取值均參考文獻[5]取值，鋼管的本構模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC，橡膠的本構模型采用MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER。圖12（a）給出了防護裝置的平面尺寸圖，鋼管半徑為0.436 m，高度為0.3 m，厚度為3 mm，鋼板和混凝土板厚均為2 cm，橡膠層厚度為1 cm。建立的防護裝置的有限元模型如圖12（c）所示。

圖12 防護裝置尺寸及有限元模型

（2）車輛碰撞力對比

圖13給出了安裝超高韌性水泥基復合材料-薄鋼管防護裝置后車輛撞擊下主梁受到的碰撞力時程曲線。從圖13（a）可以看出，采用防護裝置后，碰撞力的峰值力由未設置防護裝置的6.09 MN變?yōu)?.63 MN，降低了大約40%。這主要是由于車廂與鋼板-薄鋼管防護裝置撞擊后，鋼管和橡膠的變形耗能導致車輛與防護裝置碰撞后碰撞峰值力降低，在之后的碰撞過程中，碰撞力處于動態(tài)變化當中，但在碰撞過程中車輛撞擊力整體上均較未設置防護裝置的車輛碰撞力小，同時車輛與橋梁上部結構的碰撞時間也有一定程度降低。從圖13（b）中可以看出，安裝防護裝置后，橋梁結構受到的橫向碰撞力和豎向碰撞力均有一定程度衰減，從而很好地避免了被撞梁由于受到較大的碰撞力而出現(xiàn)損傷。

圖13 車輛撞擊下P VA-UHTCC-薄鋼管緩沖裝置碰撞力時程曲線（單位：MN）

（3）結構塑性損傷分析

圖14給出了安裝超高韌性纖維增強水泥基復合材料-薄鋼管防護裝置后橋梁上部結構和防護裝置在車輛撞擊下的損傷情況。從中可以發(fā)現(xiàn)，在車輛撞擊后，迎撞面混凝土面板出現(xiàn)了塑性變形和單元失效現(xiàn)象。同時，撞擊部位部分鋼筋斷裂，靠近撞擊區(qū)域的波紋鋼管在車輛撞擊下出現(xiàn)了壓潰變形，被撞梁撞擊區(qū)域未出現(xiàn)明顯塑性損傷?？梢园l(fā)現(xiàn)，超高韌性纖維增強水泥基復合材料-薄鋼管不僅顯著降低了車輛的撞擊力峰值，還改善了主梁在車輛撞擊下的損傷情況，較好地避免了被撞梁在超高車輛撞擊下出現(xiàn)嚴重塑性損傷的情況。

圖14 車輛撞擊下P VA-UHTCC-薄鋼管及被撞梁塑性損傷云圖

3 結 語

為降低超高車輛撞擊下橋梁上部結構的損傷問題，本文提出了3種適用于橋梁上部結構的防護裝置，采用數(shù)值仿真方法，分析了3種防護裝置在車輛撞擊下的防護性能及被撞梁的塑性損傷。研究發(fā)現(xiàn)，本文提出的防護裝置可以有效降低車輛撞擊下被撞梁體的塑性損傷程度，同時泡沫鋁材和PVA-UHTCC復合材料-薄鋼管兩種防護裝置在車輛撞擊下的損傷變形較小，可以達到反復利用的效果，能夠為橋梁工程防撞裝置設計提供相應的參考依據(jù)。