超高车辆撞击组合结构桥梁的仿真分析

张炎圣1 陆新征1 宁静2 江见鲸1

1清华大学土木工程系,北京,100084

2北京市计算中心,北京,100005

交通与计算机/Computer and Communications, 25(3), 2007, 65-69.

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  要:根据有关统计数据,北京的立交桥半数曾被超高车辆撞击,超高撞击导致的桥梁损坏占已损坏桥梁总数的20%以上。深入研究车-桥碰撞机理,科学评价超高车辆撞击对桥梁的损坏情况,具有重要的现实意义。由于车-桥碰撞试验难度很大,因此计算机仿真分析有着突出的优势。组合结构由于能够充分发挥混凝土和钢材的各自优势,因而在桥梁结构中得到大量应用。但是,组合梁下部的钢板厚度小,因此相比混凝土抗撞能力差。一旦受拉区的钢板被撞坏,整个结构的受力就会产生很不利的变化,从而产生较大的安全问题。因此,超高车辆撞击组合桥梁的仿真分析值得给予关注。本文基于高性能非线性有限元,对超高车辆-组合结构桥梁碰撞进行了高精度仿真分析。仿真分析的结果表明,超高车辆撞击对组合结构桥梁的破坏比较严重,实际应用中需要对组合结构桥梁进行有效的防撞保护。

关键词:组合结构;桥梁;碰撞;非线性;有限元

中图分类号U44   文献标识码A

Computer Simulation for the Impact between Over-high Truck and Composite Viaduct

Zhang Yan-sheng1, Lu Xin-zheng1, Ning Jing2, Jiang Jian-jing1

1Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, China, 100084

2 Beijing Municipal Computing Center, Beijing, China, 100005

Abstract: Accidents of impact between over-high trucks and viaducts happen frequently. 20% of failures of viaducts in Beijing are because of over-high trucks impact. Detailed study on the mechanism of truck-viaduct impact is important to assess the damage of impact to the viaducts. Due to the difficulties of experimental research on this problem, computer simulation has obviously advantages. The steel-concrete composite bridge has been widely used in bridges because it can fully take the advantages of the two materials. But due to the thin thickness of steel plate at the bottom of the bridge, when the steel tension zone is damaged by impact, the safety of the whole structure will be seriously threatened. So the truck impact for composite viaducts should be considered. This paper presents the high precision simulation for the truck- composite viaduct impact based on high performance nonlinear finite element analysis. The computational results show that the impact may result in serious damage to the bridges and protective equipment should be given for composite bridges.

Key words: Composite structure, viaduct, impact, nonlinear, finite element

1 概述

随着我国城市规模的日益扩大,城市地面交通的压力与日俱增。于是,大量建设立交桥梁,发展立体交通成为解决该问题的重要途径。但是,由于驾驶人员素质不高,加上监管力度不够,超高车辆与立交桥梁的碰撞事故屡见不鲜。根据有关数据统计,北京的立交桥半数曾被超高车辆撞击,超高撞击导致的桥梁损坏占已损坏桥梁总数的20%以上。因此,深入研究车—桥碰撞机理,科学评价超高车辆撞击对桥梁的损坏情况,进而在桥梁的设计、运营、维护等过程中对此进行正确考虑,是一个有着重要应用价值的课题。

组合结构是结构工程领域近来发展很快的一个方向,因其扬长避短,充分发挥混凝土的抗压强度和钢材的抗拉强度,所以应用范围越来越广[1,2]。在城市立交桥领域,钢-混凝土组合梁的应用越来越多[1,2]。然而,组合梁下部的钢板厚度小,较之混凝土抗撞能力差,一旦受拉区的钢板被撞坏,整个结构的受力就会产生很不利的变化,从而产生较大的安全问题。所以,超高车辆撞击组合结构桥梁的问题尤其值得给予关注。

国内目前关于车辆结构碰撞的研究,多集中于评价车撞桥墩或者车撞护栏[3-7],很少涉及超高车辆—立交桥梁的碰撞研究,因此开展相关研究很有必要。由于进行超高车辆—立交桥梁碰撞的真实试验代价高昂,基本上是车毁桥伤,所以利用计算机进行仿真分析,就具有非常明显的优势。国内外很多科研结构开展了基于LS-DYNA的汽车碰撞仿真分析的研究[3-5],但是这些研究关心的是汽车及其里面乘员的安全问题,而对被撞结构的分析精度不高。对于本文而言,立交桥梁是重点研究对象,因此采用在土木工程结构非线性分析方面有着广泛应用的MSC.MARC 2005程序[8] ,对超高车辆-组合结构桥梁碰撞问题进行了高精度仿真分析,并对碰撞造成的桥梁损坏情况进行了讨论。

2 有限元模型

本次车—桥碰撞仿真分析,有限元模型包括数万个单元,充分考虑了碰撞过程中的几何非线性、材料非线性以及接触非线性,以确保能够较真实的模拟车-桥碰撞过程。

2.1 桥梁模型

24车道的组合结构简支梁桥单幅截面如图1所示。桥梁跨越8车道,跨度为30m。因为两幅在结构上互相独立,所以只对其中1幅进行分析。桥梁的横断面包括300mm厚的混凝土面板,以及两个1m高的梯形钢箱梁。梯形钢箱梁的上边宽2.5m,下边宽1.5m。桥梁结构的横断面详见图1

桥梁上部结构包括混凝土面板和钢箱梁。混凝土面板划分成六面体单元,考虑了混凝土的压碎、开裂等复杂非线性行为。钢箱梁划分成壳单元,钢材采用基于Von Mises屈服准则的弹塑性本构模型。钢箱梁底板和支座处横隔板的厚度为30mm,腹板和中间两个横隔板的厚度为18mm。混凝土面板和钢箱梁之间通过共用节点模拟完全剪力连接。

正确模拟桥梁的支承条件也是仿真分析的一个重点。桥梁的上部结构和承台之间布置了400mm×400mm×50mm的方形多铅橡胶隔震支座,水平刚度为3kN/mm[9]。为了真实模拟隔震支座的行为,将钢箱梁通过面-面接触直接放在承台顶面,通过接触传递竖向荷载,水平方向可以相对运动。钢箱梁和承台之间设置水平弹簧模拟隔震支座。

桥梁的有限元模型见图2,有关参数见表1。本次分析对桥梁上部结构及其支承条件的仿真程度较高,从而保障了分析结果的精度。

1 桥梁模型有关材料参数

材料

E (MPa)

n

fc/fy (MPa)

ft(MPa)

r (kg/m3)

混凝土

3×104

0.2

30

3

2500

钢材

2×105

0.3

300

 

7800

图1 桥梁横断面尺寸

桥梁横断面尺寸

图2 桥梁有限元模型

2   桥梁有限元模型

2.2 卡车模型

随着国际汽车行业的飞速发展,汽车碰撞动力分析发展迅速。由美国联邦高速公路局(FHWA)和美国高速公路安全协会(NHTSA)支持的“国家碰撞分析中心”(National Crash Analysis CenterNCAC)推出了基于LS-DYNA软件的标准汽车模型,供相关研究者免费下载。本文采用NCAC提供的标准双轴卡车有限元模型,但该模型原本是基于LS-DYNA软件,需要进行适当的修改以适应MSC.MARC 2005的分析。另外,根据李广慧等的研究成果[10],对卡车重量进行了适当调整,以符合我国常见双轴卡车重量。最终卡车模型如图3所示。同桥梁模型一样,本次分析对卡车模型的仿真程度也较高,进一步保障了分析结果的精度。

图3 卡车有限元模型

3 卡车有限元模型

2.3 分析工况

本次车—桥碰撞分析,同时考虑了桥梁自重,桥上车辆荷载,以及卡车的撞击作用,撞击位置在1/2跨处。其中车辆荷载的布置按照B级车辆荷载考虑。对于撞击作用,进行了参数讨论,分析了初始车速分别为30km/h60km/h90km/h120km/h时,桥梁被撞击后的受力和变形情况。

3 计算结果及其分析

3.1 不同工况桥梁变形及损伤情况

卡车—桥梁碰撞是个十分复杂的相互作用过程。本文选取跨中截面(也是正碰截面)和桥梁端部截面进行讨论。每个截面取若干个关键点,关键点的位置以及编号如图4所示。

跨中截面6号点是正碰点,碰撞过程产生较大的内凹变形,图5是跨中截面6号点相对3号点的侧移,也就是钢箱梁正碰点内凹变形量。从图5可以看出,碰撞过程中,6号点的内凹变形先是迅速达到最大值。然后由于弹性恢复,内凹变形有所减小。但是由于塑性发展,内凹变形最终无法消除,而是稳定在一个值。

图4 关键点的位置及其编号

关键点的位置及其编号

图5 钢箱梁正碰点内凹变形量

钢箱梁正碰点内凹变形量

碰撞过程,由于隔震支座在水平方向的刚度较小,所以桥梁除了发生正碰点的局部内凹变形,还发生整体的水平振动。图6是跨中截面和跨端截面3号点的侧移时程曲线,该点的侧移能够反映桥梁的整体侧移。对比图6(a)6(b)可以看出,由于隔震弹簧刚度远小于桥梁的整体横向弯曲刚度,使得跨中截面和跨端截面的侧移几乎相等,桥梁自身的弯曲变形相对很小,从而大大降低了桥梁的内力。可见采用隔震支座,不仅可以提高桥梁在地震下的安全水平,还可以减小在车桥碰撞事故时的桥梁破坏作用。

图6 碰撞过程中桥梁不同截面整体侧移时程

(a) 跨中截面

图6 碰撞过程中桥梁不同截面整体侧移时程

(b)  端部截面

6 碰撞过程中桥梁不同截面整体侧移时程

56表明,撞击速度越大,钢箱梁正碰点的塑性变形越大,例如V=120km/h时内凹塑性变形达到150mm,变形量超过截面有效宽度的1/10,严重削弱了构件的抗弯承载力。另外,撞击速度越大,桥梁整体侧移的峰值也越大,对支座的水平变形量的要求就越高,例如V=120km/h时,侧移量达到135mm,如果支座的水平变形能力达不到,就会发生支座的破坏。

为了分析碰撞过程桥梁损伤情况,两个时间点应该给予关注,一是正碰点内凹变形达到最大值的时间点t1,另一个是正碰点内凹变形达到稳定值的时间点t2。表2给出不同工况的t1t2的值。因为本次分析结束时,0.48s时,各个工况的内凹变形已经稳定,所以t2统一取分析结束的时间点0.48s

2        各种工况位移达到最大时间和碰撞结束时间

工况

V=30km/h

V=60km/h

V=90km/h

V=120km/h

t1s

0.03

0.04

0.03

0.03

t2s

0.48

0.48

0.48

0.48

由于钢箱梁正碰点的内凹变形,使得跨中截面的受力和变形发生变化。撞击速度越大,内凹变形也越大(图5),截面有效受拉区削弱得也越严重(当速度达到120km/h时截面受拉区有超过1/10受到削弱)。下面对碰撞造成的跨中截面内力和变形进行分析,分析点的位置及其编号仍按图4所示。

7给出t1t2时刻,桥梁上表面1~5号关键点的竖向位移,从而反映截面的扭转情况。由图可见,在碰撞过程中,由于车撞击在钢箱梁底部,给了桥梁一个整体的扭转作用,最大扭转幅度(V=120km/h)超过正常使用阶段的5倍。这对钢箱梁以及箱梁和上部混凝土面板之间的界面都是一个严峻的考验,因此建议在设计中,如果桥梁可能受到车辆撞击的话,应适当考虑此扭转作用。

8给出混凝土面板上2号点和4号点的压应力随车速的变化情况。图9给出钢箱梁底板7号点和8号点的等效应力随车速的变化情况。从图789可以看出:车-桥碰撞过程中,除了正碰点的局部变形外,对桥梁影响最大的是由于碰撞引起的整体扭转变形。扭转造成的影响对被撞钢箱梁上面的混凝土面板(2号点)和另一个钢箱梁底板(8号点)比较不利(图8(a)9(b),混凝土应力增加了约一倍,箱梁应力增加了近50%。可见,钢箱梁被撞,加大了上部混凝土和另一个钢箱梁承担的内力。且撞击速度越大,桥梁损伤越严重。

图7 不同车速下t1时刻和t2时刻跨中截面扭转情况

(a)  t1时刻

图7 不同车速下t1时刻和t2时刻跨中截面扭转情况

(b) t2时刻

7 不同车速下t1时刻和t2时刻跨中截面扭转情况

图8 混凝土面板压应力随车速变化情况

(a)  2号点

图8 混凝土面板压应力随车速变化情况

(b)  4号点

混凝土面板压应力随车速变化情况

图9 钢箱梁底板等效应力随车速变化情况

(a)  7号点

图9 钢箱梁底板等效应力随车速变化情况

(b)  8号点

钢箱梁底板等效应力随车速变化情况

组合桥梁遭到撞击之后,损伤情况包括钢箱梁的屈服变形,以及混凝土面板的开裂。图10V=30km/hV=120km/h为例给出不同工况下,t1t2时刻钢箱梁的塑性应变和混凝土面板的开裂应变云图。图5已经表明,当车速不断增大时,碰撞点的最终内凹变形也不断增大,当车速达到90km/h以后这种变形量达到100mm以上。图10进一步表明,随着车速的增大,钢箱梁的塑性区域也不断扩大,碰撞区附近混凝土的裂缝宽度也不断增大,当车速达到120km/h时,钢箱梁塑性区的大小超过V=30km/h时的三倍

图10.1 V=30km/h桥梁损伤情况

=0.03s,钢箱梁塑性应变云图

图10.1 V=30km/h桥梁损伤情况

=0.03s,混凝土面板开裂应变云图

图10.1 V=30km/h桥梁损伤情况

=0.48s,钢箱梁塑性应变云图

图10.1 V=30km/h桥梁损伤情况

=0.48s,混凝土面板开裂应变云图

10.1       V=30km/h桥梁损伤情况

图10.2 V=120km/h桥梁损伤情况

=0.03s,钢箱梁塑性应变云图

图10.2 V=120km/h桥梁损伤情况

=0.03s,混凝土面板开裂应变云图

图10.2 V=120km/h桥梁损伤情况

=0.48s,钢箱梁塑性应变云图

图10.2 V=120km/h桥梁损伤情况

=0.48s,混凝土面板开裂应变云图

10.2       V=120km/h桥梁损伤情况

3.2 不同工况卡车破坏情况

卡车车厢破坏情况随着车速的增加而加大,图11V=30km/hV=120km/h为例给出不同工况下卡车在t1时刻的变形情况。V=30km/h时,卡车车厢发生破坏的区域很小,V=60km/h90km/h时破坏区域逐渐加大。当V=120km/h时,车厢的前面1/4都是破坏区域。另外,V=6090km/h时,碰撞过程出现车的后轮离地的现象,V=120km/h时出现车的前后轮都离地的现象,且车的大梁变形也随着车速增大而增加。

图11 卡车的破坏情况

(a) V=30km/h, t1=0.03s

图11 卡车的破坏情况

(b) V=120km/h, t1=0.03s

11          卡车的破坏情况

4 结论

超高车辆—立交桥梁碰撞是个十分复杂的过程,本文利用高性能非线性有限元,对超高车辆—组合桥梁进行高精度的仿真分析,得出如下结论:

1)鉴于超高车辆撞击立交桥梁的事故频频发生,开展超高车辆—立桥桥梁的碰撞研究很有必要。利用有限元软件,可以很好地进行这一过程的仿真分析,避免真实实验的高昂代价。仿真分析的结果可以科学评价超高车辆撞击对于桥梁的损伤情况。

2)组合结构桥梁由于下部的钢板较薄,抗撞能力较差。遭到超高车辆撞击以后,容易产生较大变形和较大范围的钢材屈服,从而使得截面产生扭转,这对桥梁受力十分不利。

3)鉴于组合结构被撞的后果较为严重,实际设计、运营和维护等过程中要注重对组合结构采取防撞措施。

参考文献

[1]   聂建国,刘明,叶列平编著,钢—混凝土组合结构[M],中国建筑工业出版社,2005.

[2]   聂建国,余志成,-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J],土木工程学报,1999.322):3-8.

[3]   陆勇,曹立波,对汽车撞柱的仿真研究[J],农业装备与车辆工程, 2006174(1)28-31.

[4]   郑福荣,刘燕霞,吕浩,王柏龄,闫文亮,轿车碰撞安全性的评价及车身碰撞安全性设计[J],天津汽车,2006412-16.

[5]   雷正保,周屏艳,颜海棋,钱小敏,汽车_护栏系统耐撞性研究的有限元模型[J],中国安全科学学报,200616(8)9-16

[6]   姚启明,汽车碰撞防撞护栏碰撞力计算方法的研究[J],上海公路,2003 (sup.)122127.

[7]   刘佳林,赵强,甘英,宁晓骏,汽车撞击城市立交桥墩后对桥墩结构的影响[J],公路工程与运输,2006144169-171.

[8]   江见鲸,何放龙,何益斌,陆新征编著,有限元法及其应用[M],机械工业出版社,2006.

[9]   杜修力,韩强,刘文光,赵建锋, 方形多铅芯橡胶支座力学性能研究[J],地震工程与工程振动,2006,26(2)125-130.

[10] 李广慧,张存超,王东炜,张会杰,高速公路桥梁活荷载参数研究[J],郑州大学学报(工学版),200526(1)20-22.

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