车-桥碰撞动力及防护装置设计分析.pdf

文章编号:():./.车 桥碰撞动力及防护装置设计分析孔令云贾留锁王 睿李选栋(.郑州市市政工程勘测设计研究院 郑州市 .黄河水利委员会河南黄河河务局 郑州市)摘 要:为研究超高车辆撞击下桥梁结构的动态响应以一座预应力混凝土空心板桥为研究对象采用非线性有限元仿真技术模拟了车 桥碰撞过程对超高车辆撞击下被撞梁的动态响应及损伤进行了分析 考虑到目前既有桥梁上部结构防护装置的种类匮乏提出了一种基于(超高韧性水泥基复合材料)板的组合防护装置对防护装置的防护性能进行了分析探讨了不同设计参数下防护装置性能的变化特征为工程设计人员提供参考 关键词:空心板桥超高车辆防护装置抗撞性能参数分析中图分类号:.文献标识码:引言跨线立交桥梁在城市及高速公路跨线工程中使用广泛其受到超高车辆撞击的事故时有发生对正常服役状态下的桥梁结构安全造成了严重威胁目前针对超高车辆撞击桥梁上部结构开展的防护研究工作相对较少 陆新征等基于模型试验和数值仿真技术提出了一种新型薄壁钢管缓冲装置通过扩散模块分散车辆撞击力通过吸能模块吸收车辆的动能进而降低超高车辆撞击下桥梁结构的损伤 朱洲洲通过对超高车辆撞击下钢筋混凝土 梁桥进行损伤分析提出了基于泡沫铝材为主要耗能材料的桥梁防护装置研究发现该防护装置可以有效降低超高车辆撞击下桥梁上部结构的损伤 潘晋等提出了一种基于阻尼器的限高防护架通过对超高车辆进行柔性拦截间接避免车桥碰撞事故发生针对目前频发的超高车辆撞击桥梁上部结构问题文章采用显式动力有限元分析软件进行了车桥碰撞全过程非线性分析模拟了车辆撞击下桥梁结构的损伤同时考虑到已有防护装置种类匮乏亦为降低超高车辆撞击下桥梁结构的损伤提出了一种适用于桥梁上部结构的新型防护装置 有限元模型建立以一座跨径为 的预应力空心板桥为工程实例空心板单梁尺寸如图()所示全桥由 片空心板单梁组成桥梁全宽.混凝土强度等级为 每片空心板采用 根型号为.的预应力钢绞线预应力荷载通过等效降温法进行模拟 空心板桥有限元模型如图()所示 超高车辆模型采用美国国家碰撞分析中心()提供的标准双轴卡车有限元模型为保证计算结果的精度对车厢端部有限元网格尺寸进行了重新划分划分后的尺寸为 根据道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值()双轴卡车的单轴最大轴荷不超过 此处对车辆货物的密度进行修改使车辆总质量(车身净重与载重之和)为 图 空心板桥模型北方交通 年 第 期 车 桥碰撞动态响应分析以车辆行驶速度/车辆载重 碰撞超高值 为典型代表工况研究了超高车辆与桥梁上部结构边梁跨中位置碰撞时的动力特性图 给出了超高车辆与空心板桥撞击过程中的碰撞力时程曲线可以看出在整个碰撞过程中碰撞力呈现出高峰值、低持时的特点整个碰撞过程持时约.碰撞力峰值发生在刚开始碰撞的瞬间接近 这主要是由于在碰撞接触瞬间车厢和被撞梁均处于未损伤状态同时车厢刚度较大因此碰撞力出现一个峰值在之后的碰撞过程中车辆由于撞击出现较大面积的塑性损伤刚度急剧下降因此碰撞力大幅下降并在此后的碰撞过程中碰撞力基本维持在该水平范围 随着车 桥碰撞过程结束车辆与被撞梁逐渐分离碰撞力衰减为 通过对碰撞过程中被撞梁的位移及变形的分析发现空心板桥在超高车辆撞击下的位移及变形均较小(弯曲变形最大仅)因此不再进行详细分析图 碰撞力时程曲线图 给出了超高车辆撞击桥梁上部结构后主梁和超高车辆的塑性损伤云图 可以看出车 桥碰撞结束后被撞梁出现了较为明显的塑性损伤并且损伤区域主要集中于撞击位置在车辆的撞击和车厢的刮擦作用下被撞梁腹板和底板跨中区域出现了混凝土单元和钢筋单元失效现象车辆的车厢在碰撞过程中损伤十分严重为定量分析车 桥碰撞后桥梁结构的损伤情况对损伤后的被撞梁进行竖向静力加载荷载采用逐级按比例放大的公路 级车道荷载通过对比被撞梁损伤前和损伤后所能承受的竖向极限荷载判断其竖向极限承载力下降程度荷载 位移变化曲线如图 所示 可以发现被撞梁在损伤前随着竖向荷载的增大结构变形逐渐增加刚度逐渐降图 桥梁上部结构及车辆塑性损伤云图图 车道荷载下结构跨中荷载 位移曲线低最终达到竖向极限承载力而发生弯曲破坏此时主梁的跨中位移达到 竖向极限承载力接近车道荷载的.倍 通过分析被撞梁损伤后的荷载 位移曲线变化发现损伤后主梁在 倍以内的竖向静力车道荷载下结构表现出的静力特性与损伤前无显著差异当竖向静力荷载大于 倍车道荷载后二者的差异逐渐明显具体表现为损伤后结构的变形刚度降低在相同的荷载下位移要略大于损伤前的竖向变形刚度 当竖向荷载达到.倍车道荷载时主梁变形急剧增大达到其竖向极限承载力主梁破坏 通过图 可以看出损伤前被撞梁的竖向极限承载力为.倍的车道荷载可知损伤后结构的竖向极限承载力为结构损伤前的 承载力出现了一定程度的下降 防护装置防撞特性分析基于上文分析为降低超高车辆撞击下被撞梁的损伤提出一种基于 材料的组合防护装置采用数值仿真技术分析其在降低超高车辆撞击下桥梁结构损伤方面的作用防护装置的构造如图 所示防护装置主要由 板、钢筋网、薄钢管(管内填充橡胶)和钢板组成 年 第 期 孔令云等:车 桥碰撞动力分析及防护装置设计分析图 组合防护装置构造组成示意图图()给出了安装防护装置后车 桥碰撞过程中的碰撞力时程曲线在采用该防护装置后车辆碰撞力的峰值明显降低由之前的.降低为.降低约 在碰撞持续时间上并未出现显著差异 需要注意的是碰撞力峰值比采用防护装置提前主要是由于采用防护装置后车厢与桥梁之间的距离缩短能更快地发生碰撞行为 图()给出了碰撞后被撞梁的塑性损伤云图可以看到采用该防护装置后被撞梁在车辆撞击下未出现混凝土单元和钢筋单元的损伤失效碰撞结束后结构无明显塑性损伤由此可以得出采用该组合防护装置能够大幅降低超高车辆撞击下被撞梁的损伤主梁在超高车辆撞击后将不会出现竖向承载性能的降低 图()给出了超高车辆撞击后防护装置的损伤变形云图防护装置的迎撞面即 板一侧出现了混凝土单元失效和钢筋损伤的现象而钢管和橡胶几乎无损伤 因此在实际工程中应用该防护装置可将各个组成部件制成可拆卸的装配式结构在其中的某一个部件损伤失效情况下将该部件重新更换其余部件循环使用这将大幅降低该防护装置的工程造价节约成本 防护装置参数分析实际工程设计中防护装置的设计参数不同其防撞性能将有显著差异同时设计参数对工程造价也有较大的影响因此通过对前一节提出的防护装置的设计参数进行分析探讨不同参数下防护装置的性能为工程设计人员提供参考由于 板、钢管和橡胶是组成该组合防护装置的主要扩散耗能部件因此主要选取 板厚度、薄壁钢管个数、钢管壁厚 及钢管沿撞击方向的图 安装防护装置后碰撞力曲线及塑性损伤云图高度 四个主要设计参数进行分析选取的防护性能指标主要是最大撞击力和碰撞过程中吸收能量图()给出了不同 板厚度下(、)的碰撞力峰值和碰撞过程中吸收能量 随着 板厚度的增加碰撞力峰值逐渐增加而碰撞过程中吸收的能量逐渐降低 通过分析可以看出当 板厚度降低时在超高车辆撞击下 板损伤严重混凝土和钢筋单元损伤变形吸收较多的碰撞能量而随着 板厚度的增加车辆与防护装置的接触面刚度增强因此碰撞力会出现较大程度增大 同时通过对碰撞后的损伤情况分析认为此种情况下车辆的损伤要更为严重图()给出了不同钢管个数下(、)的碰撞力峰值和碰撞过程中吸收能量 与 厚度变化下的规律相似碰撞力峰值随着钢管个数的增加而增大而碰撞过程中吸收的能量呈下降趋势当钢管个数较少时车辆与防护装置碰撞时防护装置的刚度较小因此碰撞力峰值较低此时由于钢管在车辆撞击下的变形较钢管个数多时更为严重因此其变形过程中吸收了较多的能量需要注意的北方交通 年 第 期是此种情况下虽然钢管个数较少吸收的碰撞能量较多但是对防护装置而言其损伤变形要较为严重对防护装置更为不利图()给出了不同钢管壁厚下(、)的碰撞力峰值和碰撞过程中吸收能量 可以发现随着钢管壁厚的改变碰撞力峰值和碰撞过程中吸收的能量均未出现显著差异因此可以得出在满足钢管设计最小壁厚的条件下采用增加壁厚的方法并不能有效改善防护装置的防护性能图()给出了不同钢管高度下(、)的碰撞力峰值和碰撞过程中吸收能量 可以发现碰撞力峰值和碰撞过程中吸收的能量均随着钢管厚度的增加不断提高但是碰撞力峰值的变化幅度明显低于吸收能量的变化幅度 因此可以得出对于钢管高度这一设计参数而言其对碰撞过程中吸收能量的影响要更为显著图 不同设计参数下碰撞力峰值及防护装置吸收能量 结论采用数值仿真技术模拟了超高车辆撞击空心板桥上部结构的碰撞行为分析了车辆撞击下被撞梁的损伤同时提出了一种有效的组合防护装置来降低超高车辆撞击时桥梁上部结构的损伤并结合工程实例对防护装置的设计参数进行了分析讨论为工程设计提供参考参考文献 陆新征何水涛黄盛楠.超高车辆撞击桥梁上部结构研究 破坏机理、设计方法和防护对策.北京:中国建筑工业出版社.朱洲洲.被撞桥梁结构有限元受力计算分析及防撞设施研究.长沙:长沙理工大学.潘晋黄义飞周初阳等.一种基于阻尼器的升降式柔性限高防护架:.(.)(下转第 页)年 第 期 孔令云等:车 桥碰撞动力分析及防护装置设计分析图 “时光隧道”效果()对于狭窄且有保通需求的场地钢结构桥梁适应性强可极大限度降低既有交通的影响()平曲线半径小、跨径较大的桥梁应采用整体箱形梁以提高桥梁抗扭刚度平曲线半径大、跨径较小的桥梁可采用钢混工字组合梁以方便施工、降低造价()景观照明设计应因地制宜与环境和谐统一参考文献 康黎静.湖南科技大学核心区月湖景观桥景观设计与结构计算.湘潭:湖南科技大学.刘兴元.浅谈景观桥梁的设计.北方交通():.(.).(上接第 页).().年 第 期 安伟胜:城区改建互通桥梁设计及景观照明研究