某超高车辆撞落人行天桥事故的过程仿真与分析*

何水涛 张炎圣 卢啸 陆新征

(清华大学土木工程系,清华大学结构工程与振动教育部重点实验室 北京 100084

交通信息与安全/Journal of Transport Information and Safety, 2009, 27(6): 89-92.

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摘要:本文对一起超高车辆撞翻人行天桥事故进行了数值仿真,分析其原因,并提出了相应的防护措施。本文首先对作者建议的数值模型进行了简要的介绍,并详细描述了整个数值仿真过程;然后基于仿真结果,讨论桥体落梁的原因,分析桥体在撞击后的响应;最后,给出了相应的防护措施,并对采取防护措施后的桥梁进行撞击过程仿真,验证措施的实效性。

关键词:车桥撞击,数值模拟,桥梁,撞击防护

一、   引言

随着我国城市规模的日益扩大,大量建设立交桥梁,发展立体交通,成为缓解城市地面交通压力的主要途径。由于驾驶人员素质不高,加上监管力度不到位,超高车辆与立交桥梁的碰撞事故屡见不鲜。200611月,西南某城市一辆自重约8吨的翻斗车由于不明原因,在行进过程中突然将车斗翻起,造成车辆超高,将一座长达80余米,重达100吨的人行天桥撞落至路面,总水平位移达3~4m。肇事车辆被坠落的天桥压在下面,肇事司机当场死亡,并导致整个环路交通堵塞8个小时,对城市正常运行造成重大影响(图1)(图片来源: http://news.163.com/06/1124/02/30LKI6J300011229.html

 

.1 事故现场照片

Figure.1 Photos of the accident

事故发生后,其机理和今后的防护措施引起了有关专业人员的关注。简单的刚体碰撞动力学分析表明,由于该车辆自重远小于桥梁重量、且桥体上部结构与桥墩之间无特殊连接处理,同时忽略摩擦力作用,则根据动量交换定律,碰撞后桥体获得的水平速度约为(假设车辆速度为80km/h):

                  

而桥体从桥墩落下需时为:

                       

桥体落梁后水平方向的刚体位移为:

                                        

故而很难如事故中将桥梁撞出34m远,该事故其过程机理是否有特别之处?另一方面,如此重要的大型人行天桥如此容易被撞毁,桥梁的设计和防护手段是否有待进一步改进?

为了解答上述工程问题,并为今后城市车桥撞击事故原因分析和桥梁防护设计提供参考,本文利用高性能非线性有限元分析手段,重现了该事故过程。并对事故的机理和未来设计建议进行了讨论。

有限元模型

2.1概述

超高车-桥碰撞试验研究代价非常高昂(基本上是车毁桥伤),因而到目前为止,有关文献中撞击试验数量极少[1]。而基于计算机模拟的有限元分析技术,则具有便捷、安全、易于重复、可对不同参数加以独立讨论的优点。特别是随着汽车碰撞安全方面研究的进步,高性能非线性有限元碰撞模拟技术已经相当成熟,这为实现车-桥撞击模拟奠定了良好的基础。

2.2天桥有限元模型

事故天桥主体结构高度为5米、宽4米,横跨8条车道,总长度为80米,为钢箱型连续梁结构,桥面上部为一层混凝土面板。基于实际桥梁,建立非线性有限元分析模型,混凝土面板划分成六面体实体单元(通用有限元程序MSC.Marc中的7号单元),其受压本构关系采用了基于von Mises屈服准则的弹塑性本构模型,受拉采用基于最大拉应力准则的弥散裂缝模型[2]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,并在翻斗车撞击处单元划分加密以提模拟精度。

事故天桥的一个重要特征是为了减少温度应力,桥梁上部结构和桥墩顶部之间未焊接在一起,只是浮搁在桥墩上,这是导致桥梁被撞落的一个关键因素。为了正确模拟这一支座条件,在有限元分析中,通过接触分析(Contact Analysis),准确模拟了桥墩和上部结构之间的相互关系,依据钢结构设计规范GB50017-2003,钢板(Q345)与钢板(Q345)之间经喷砂处理后摩擦系数取为0.5最终桥梁有限元模型如图2所示。

2.3翻斗车模型

根据文献[4],建立翻斗卡车模型,其中参与碰撞的主要对象——车厢采用壳单元进行离散化,弹性模量取为200GPa,泊松比为0.3,整个模型具有较高的精细程度。并根据事故车辆对卡车重量进行调整,以符合真实情况,最终卡车模型如图3所示。

2 桥梁有限元模型

Figure 2. Finite element model of the bridge

3.汽车有限元模型

Figure 3.Finite element model of the truck model

三、     计算结果及分析

⒊1  事故过程分析

在有限元模型中,将事故车辆以80km/h的速度撞击桥梁,得到整个事故过程如图4所示。

t=0.1s

t=0.5s

t=1.0s

t=1.5s

.4事故模拟过程

Figure.4 The process of the collision

从图中可以看出,由于桥梁长度较大,侧向刚度有限,故而撞击并非是两个刚体撞击,而是一个非常复杂的力学过程。翻起的车斗给桥梁一个竖直方向向上和水平方向向前的撞击力,在这个撞击力作用下,桥梁发生了一个竖向和水平向的弯曲变形,最大变形量(0.1s前)分别达到385mm(水平)、172mm(竖直)(这里变形量定义为:撞击位置水平变形量/竖直变形量-桥梁端部水平变形量/竖直变形量)。在0.1s时(撞击力第一峰值/主撞击冲量过程完成),撞击局部位置的桥梁水平速度为3666mm/s,撞击位置两侧紧邻桥墩处桥梁的水平位移达到213mm。由此可以看出,被撞击桥梁并非为一刚体行为,而是一个变形体,其惯性质量受到整个桥刚度所限,并不能全部参与碰撞过程。进而导致在主撞击冲量完成时(0.1s时),撞击位置的变形(254mm),远大于桥梁的平均变形(71mm5个桥墩顶部位置位移平均值)。

由图4可知,在t=0.5s时,桥体已经产生较大的偏移,由于此时撞击位置的临近桥墩顶部,桥梁上部结构的侧向位移导致这部分桥梁的重心已经超出桥墩支承范围(超出830mm),再加上桥梁的向上掀起等,最终导致桥梁从浮搁的桥墩顶部滑落,进而造成整个事故结果。

3.2数据分析与讨论

3.2.1 车辆给桥梁的冲击作用

车辆和桥梁之间的水平冲击力时程如图5所示。由图中可以看出,主冲量发生在0.1s以内。根据文献[9],取平均撞击时间为0.1s,则其总冲量大约为270.0kN·s。平均撞击力大约为270.0kN·s/0.1s=2700kN,高于规范[5]建议的1000kN(欧洲规范EuroCode-1建议公路的基本撞击力F02400kN)。当然,对于静力平均撞击力的等效方法,目前还有待进一步讨论,本文算例并不能完全说明我国规范建议车辆撞击力的安全性存在严重问题,但可以为进一步研究车辆撞击荷载提供参考。

.5车对桥水平方向冲击力时程图

Figure.5 The total impact force in horizontal direction

.6 平均速度-时间图

Figure .6 Average velocity-time relationship

3.1.2 桥梁的响应

在主冲量0.1s内,桥梁和车辆的平均速度变化如图6所示。其中,桥梁平均速度为各跨中点、跨端及碰撞点共九个点平均得到,车辆平均速度为车箱尾部、车轴尾部、车箱前部及车轴前部共四个部位八个点平均得到。由桥梁的平均速度,可以得到0.1s时桥梁获得的动量为231.6kN·s,小于车辆给桥梁的冲量270.0kN·s。其原因是在撞击过程中,桥墩顶部的摩擦力,地面对车辆的摩擦力等的影响,并且桥梁自身平均速度计算方法也不是很精确。但是,二者差异231.6/270.0=85.8%,考虑到实际撞击问题的复杂性,这样的差别是可以接受的。故而我们可以认为,车桥撞击过程基本符合动量交换原理。

1 刚体碰撞分析和有限元计算结果差异
(t=0.1s)

Table 1. Difference between rigid-body impact and finite element results (t=0.1s)

 

刚体碰撞

有限元

相对误差

整体位移

177.78

92.97

91.2%

桥体撞击位置的位移

254.83

30.0%

.7 桥体变形时程图

Figure.7 The deformation of the finite element bridge model

但是,如果我们把0.02~0.10s时间内桥梁的水平变形取出绘制于图7中,即可发现,在车桥撞击过程中,虽然桥梁作为一个整体基本符合动量原理,但是由于桥梁惯性力作用和桥梁自身的变形,因而不是一个刚体碰撞过程。撞击位置局部的速度和位移远大于远离撞击位置的速度和位移。故而,如采用刚体碰撞分析计算车-桥撞击引起的落梁作用,则会因为无法考虑桥梁的变形而使结果有所偏差。以0.1s时为例,刚体碰撞分析和有限元计算结果差异如表1所示。

如果将桥梁等效为一根弹性梁,其线密度,刚度等和实桥一致。将车辆0.1s以内的撞击力时程作用于该弹性梁,得到弹性梁撞击位置相对于端部的最大位移值为386mm,而原模型的撞击位置相对于端部的最大位移值为385mm,弹性梁的变形与原模型的变形基本相同,因此,虽然因为弹性简化导致不能考虑桥身的塑性变形等,但出于工程简化起见,进行车桥撞击工程设计时,可以采用等效弹性梁的方法来简化计算。

3.2.3 防落梁措施

如本次事故这样的整体落梁破坏,造成的间接经济损失尤其重大,故而应尽量设法避免。如果将桥梁上部结构与各个桥墩横向连接在一起,再对整个撞击过程重新进行模拟。得到典型支座反力时程如图8所示。参照文献[9],取有效碰撞时间为0.1s,得到各个桥墩的平均碰撞力如表2所示。因此,如果采用刚性连接来避免落梁破坏,则建议每个桥墩与上部结构刚性连接的水平方向承载力不小于3058.7kN,竖直方向承载力不小于1137.6kN

水平方向

竖直方向

.8 3号桥墩反力时程图

Figure.8 The reaction force of the first pier

.2桥墩平均反力值

Table.2 The average reaction force of other piers

桥墩编号

1

2

3

4

5

水平方向/kN

240.0

619.4

3058.7

657.6

157.6

竖直方向/kN

250.6

411.1

1137.6

540.8

116.7

如果桥墩顶部和桥梁上部结构之间采用弹性橡胶支座柔性连接,则当橡胶支座的剪切刚度(相当于规格H×A×B=110mm×594mm×475mm的盆式橡胶支座)分别为2253kN/m4506kN/m9012kN/m时,得到的橡胶支座最大剪切位移为389mm315mm260mm。所以,应设计橡胶支座使其可以承受这样的位移。

4 结论

通过上文的分析讨论,可以得到以下结论:

(1) 在桥梁设计时,可通过弹性梁模型来估算桥梁在冲击荷载作用下的变形量,进行桥体变形和位移设计。

(2) 可以通过设置弹性橡胶支座,以防止发生落梁破坏。橡胶支座的作用主要表现在以下两个方面:①通过剪切变形消耗车辆撞击传递给桥体的能量,②限制桥梁上部结构位移。限制水平方向位移以防止桥体移出桥墩支承范围之外;限制竖直方向位移以防止桥体脱离桥墩支承面以致水平方向没有约束。支座变形能力或承载力可采用本文建议方法计算。

参考文献:

[1].陆新征, 张炎圣 , 宁静 ,江见鲸 ,任爱珠. 超高车辆与立交桥梁碰撞的高精度非线性有限元仿真[J] 石家庄铁道学院学报 2007.20(1)

[2].江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社.2005

[3].张炎圣, 陆新征, , 江见鲸. 超高车辆撞击组合结构桥梁的仿真分析[J],交通与计算机, 25(3), 2007, 65-69.

[4].李广慧,张存超,王东炜,等.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

[5].中华人民共和国行业标准.公路桥涵设计通用规范JTG D60—2004[S].北京:人民交通出版社,2004

[6].桥梁通用构造及简支梁桥[M].胡兆同,陈万春编著.北京:人民交通出版社,2001

[7].桥梁工程[M].邵旭东主编.北京:人民交通出版社,2006

[8].桥梁间隔震设计[M].范立础 王志强著.北京:人民交通出版社,2001

[9].Steel Diaphragms in Prestressed Concrete Girder Bridges[R]. Iowa department of transportation, center for transportation research and education, 2004.

[10].中华人民共和国行业标准. 钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国建筑工业出版社,2003

Simulation and Analysis of a Collision Accident between Over-high Truck and Pedestrian Bridge

He Shuitao,  Zhang Yansheng,  Lu Xiao,  Lu Xinzheng

(Department of Civil Engineering, Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing, 100084)

Abstract: An accident of collision between over-high truck and pedestrian bridge is simulated by means of high-precision finite element model, the reasons of collapse is analyzed and the corresponding protection measures is suggested. This paper firstly introduced the proposed numerical model and then described the collision process of simulation. Based on the analytical results, the reason of the girder falling is discussed and the response of the girder after the collision is analyzed. Finally, the corresponding protection measures are proposed and the effectiveness of these measures is verified.

Keywords: truck-bridge collision, numerical simulation, bridge, collision prevention



*基金项目:国家自然科学基金资助项目 (编号:50808106)

作者简介:何水涛(1984-)男,河南人,硕士生,从事结构非线性分析研究(hst08@mails.tsinghua.edu.cn)

张炎圣(1984-)男,福建人,硕士生,从事结构非线性分析研究(zhangys07@gmail.com)

  啸(1986-)男,湖南人,博士生,从事结构非线性分析研究(x-lu08@mails.tsinghua.edu.cn)

*陆新征(1978-)男,安徽人,副教授,博士,从事结构非线性分析,防灾减灾等方面研究(luxz@tsinghua.edu.cn)

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