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

Collision between over-height vehicles and bridge superstructures:
Failure Mechanism, Design Methodology and Protective Measures

陆新征, 何水涛, 黄盛楠 著

北京：中国建筑工业出版社

内容简介

　　近年来，超高车辆撞击立交桥梁事故频发，已成为我国桥梁和交通安全的重要威胁。而我国目前在该问题上的基础研究还很少，对超高车辆撞击造成桥梁上部结构破坏的内在机理认识不足，导致缺少可靠的设计依据和防护对策。
　　为减小超高车辆撞击桥梁上部结构造成的损失，本课题通过事故案例调研、模型试验和理论分析，研究了超高车辆撞击桥梁上部结构的碰撞过程、作用机理、桥梁损伤演化过程和破坏特征，提出了相应的有限元仿真模型，撞击计算简化模型和撞击荷载工程设计公式，开发了实用的撞击防护装置，并通过模型试验和数值分析检验了其效果。
　　本书可供广大桥梁专业人员在桥梁设计和加固中参考。

前 言

　　随着我国城市的发展，构建城市立体交通系统成为解决城市交通问题的重要途径。但是，由于种种原因，我国近年来频繁发生超高车辆撞击桥梁上部结构的事故，严重威胁桥梁结构安全和城市交通运行。根据国外研究和工程经验，由于超高车辆撞击事故难以完全避免，要减少超高车辆撞击损失，除管理和教育等“软手段”外，增强桥梁结构的抗撞击能力，减小撞击事故对桥梁的损坏等“硬手段”也必不可少。而我国当前在该问题上的基础研究还很少，对超高车辆撞击造成桥梁上部结构破坏的内在机理认识不足，导致缺少可靠的设计依据和防护对策。
　　因此，本课题组在国家自然科学基金项目（50808106），交通运输部交通运输建设重大科技专项（2011-318-223-170）和教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0528）的资助下，对超高车辆撞击桥梁上部结构问题开展了一系列的研究，包括案例调研、模型试验、数值仿真和理论分析，揭示了超高车辆撞击桥梁上部结构的破坏机理、提出了撞击荷载的工程设计公式，并开发了防护装置，可供广大桥梁专业人员在桥梁设计和加固中参考。
　　本书第1、2、6章由陆新征和何水涛共同撰写，第3章由何水涛和黄盛楠共同撰写，第4、5章由陆新征和黄盛楠共同撰写。全书最后由陆新征负责整理。
　　参加本课题研究工作的还有：博士生卢啸、李易，硕士生张炎圣、曹海韵，本科生程晓波。在整个研究工作中，还得到了清华大学叶列平老师，潘鹏老师、王宗刚老师的帮助和支持，在此也表示衷心的感谢。并感谢清华大学“力学计算与仿真”实验室和“土木工程安全与耐久教育部重点实验室”提供的高性能计算平台和实验研究条件。
　　由于作者水平有限，本书一定存在许多不足和错误，欢迎有关专家和读者提出宝贵意见。

作者
2011年8月
北京清华园

1. 引言
　1.1 研究背景
　1.2 研究现状
　　1.2.1 车桥碰撞的实验研究
　　1.2.2 车桥碰撞的理论研究和设计方法
　　1.2.3 其它碰撞领域的相关研究
　　1.2.4 桥梁防护对策
　1.3 研究内容

2. 撞击模型试验研究
　2.1 试验设计
　　2.1.1 试验总体设计
　　2.1.2 试验模型设计
　　2.1.3 撞击试验加载方案
　　2.1.4 撞击试验数据采集
　2.2 试验过程和结果分析
　　2.2.1 油罐车撞击钢箱梁桥上部结构模型试验
　　2.2.2 油罐车撞击钢板梁桥上部结构模型试验
　　2.2.3 油罐车撞击钢筋混凝土T梁桥上部结构模型试验
　　2.2.4 油罐车撞击FRP梁桥上部结构模型试验
　　2.2.5 本节小结

3. 碰撞试验有限元分析
　3.1 材料本构模型
　　3.1.1 混凝土本构及其验证
　　3.1.2 钢材本构及其验证
　3.2 油罐车撞击钢箱梁桥上部结构模型有限元分析
　　3.2.1 有限元模型
　　3.2.2 有限元分析结果
　3.3 油罐车撞击钢板梁桥上部结构模型有限元分析
　　3.3.1 有限元模型
　　3.3.2 有限元分析结果
　3.4 油罐车撞击混凝土T梁桥上部结构模型有限元分析
　　3.4.1 有限元模型
　　3.4.2 有限元分析结果
　3.5 本章小结

4. 超高车辆撞击桥梁上部结构有限元模拟
　4.1 有限元模型
　　4.1.1 车辆有限元模型
　　4.1.2 桥梁有限元模型
　　4.1.3 网格尺寸和时间步长精度检验
　4.2 典型桥梁上部结构损坏机理分析
　　4.2.1 简支预应力钢筋混凝土T梁桥
　　4.2.2 简支钢箱-混凝土板组合梁桥
　　4.2.3 三跨连续预应力钢筋混凝土箱梁桥
　　4.2.4 四跨连续钢箱梁人行天桥
　4.3 桥梁上部结构损坏模式与损坏程度
　　4.3.1 损坏模式分类
　　4.3.2 竖向承载力损失程度
　　4.3.3 整体变形损伤程度

5. 简化计算模型及工程设计公式
　5.1 简化计算模型
　　5.1.1 撞击荷载的影响因素
　　5.1.2 撞击计算简化模型
　5.2 撞击荷载工程设计公式
　　5.2.1 已有工程设计公式概述
　　5.2.2 工程设计公式
　　5.2.3 参数分析
　　5.2.4 车轮刚度及车厢塑性的影响
　　5.2.6 设计公式系数取值

6. 桥梁上部结构防护对策
　6.1 防护装置设计和分析
　　6.1.1 防护装置的初步设计
　　6.1.2 防护效果有限元模拟
　6.2 桥梁上部结构防护装置试验研究
　　6.2.1 试验模型设计
　　6.2.2 试验过程和结果分析
　　6.2.3 试验有限元模拟
　6.3 小结

7. 结论与展望

参考文献

1 引言

1.1 研究背景
　　近年来我国城市规模加速扩大，城市交通负担日益繁重，构建城市立体交通系统成为应对这一挑战的重要途径。城市桥梁是城市立体交通系统的重要组成部分，其安全和正常使用对保障城市工作和生活的正常运行起着重要作用。
　　但是，由于驾驶人员素质不高，有关部门监管不够到位，我国近年来频繁发生超高车辆撞击桥梁上部结构的事故（图1.1），严重威胁桥梁结构安全和城市交通运行。根据北京市交通部门的统计数据[1]，北京市约50%的桥梁上部结构曾遭超高车辆撞击，由此损坏的桥梁占所有损坏桥梁的20％以上。
　　本书重点对北京市超高车辆撞击桥梁上部结构的事故进行了调研，同时也对我国其它城市以及美国、欧洲此类事故进行了一定的了解。2000年以来，我国超高车辆撞击桥梁上部结构的部分事故概况如下：……

1.2 研究现状
　　由于超高车辆撞击桥梁上部结构是近几年随着城市立体交通快速发展才暴露出来的问题，因此国内对此研究尚很缺乏。我国2004版桥梁通用规范[9]参考国外规范，简单规定了等效撞击力大小（"车辆行驶方向取1000kN，垂直于车辆行驶方向取500kN"），但是对撞击力作用时间和区域，输入能量和冲量大小以及防护措施等并未给出具体规定。国外针对超高车辆撞击桥梁上部结构已经开展了一些实验和理论分析，也形成了相对具体的设计方法，但是这些研究仍然不够系统。特别是考虑到我国车辆和桥梁情况都与国外有所差别，因此国外规范对于我国工程实践不能完全适用。所以需要参考已有的相关研究成果，进一步开展针对我国超高车辆撞击桥梁上部结构问题的研究。……

2. 撞击模型试验研究

2.1 试验设计
　　为研究超高车辆撞击桥梁上部结构的作用过程和破坏机制，检验数值模型的正确性和合理性，本课题首先对超高车辆撞击桥梁上部结构进行了模型试验研究。
　　试验的顺利进行需要合理全面的试验设计。本节将详细介绍本课题碰撞试验的试验设计方案，包括试验总体设计、试验模型设计及数据采集方案等。
2.1.1 试验总体设计
　　试验研究以足尺模型试验最为准确，但是成本太高，往往车毁桥伤。缩尺试验则具有较大的可行性。车桥碰撞方面的试验研究，国内目前基本还是空白，但与车桥碰撞类似的船桥碰撞试验已有不少研究[18-19]。本小节将根据相关文献[48-53]的研究，对碰撞试验进行总体设计。碰撞试验总体设计主要包括两部分：试验对象的选取和模型相似比计算。……

2.2 试验过程和结果分析
　　基于前一节的试验设计，本节将首先就碰撞试验的试验过程进行描述和讨论，然后对每次碰撞试验的结果进行分析，最后对各次碰撞试验结果进行总结。
2.2.1 油罐车撞击钢箱梁桥上部结构模型试验
2.2.1.1 试验过程
⑴试验加载
　　由上一节试验设计可知，试验加载是通过提升罐体模型至一定高度，然后释放罐体，使其在重力作用下自由摆动以获取撞击速度。对于同一撞击速度，罐体模型提升的高度（相对于撞击面）是一样的。为便于实际加载，取罐体相对于地面的高度作为控制参数，但由于各个模型的高度不一致，即每次的撞击面高度不同，因此每次碰撞试验的控制参数都应重新计算。……

3. 碰撞试验有限元分析

　　基于前一节各次试验的结果，本节将运用有限元软件分别建立相应的有限元模型，对各次试验进行数值模拟。然后将数值模拟的结果与试验结果进行对比，校核数值模拟的准确性。
　　由于FRP材料破坏准则尚有待进一步研究，故有关FRP梁撞击试验的有限元模拟部分本节暂不讨论。
3.1 材料本构模型
3.1.1 混凝土本构及其验证
　　混凝土本构对车桥碰撞分析十分关键。除了MSC.MARC软件提供的混凝土本构，在LS-DYNA软件中，HJC本构和Brittle_damage本构也是目前常用于动力分析的混凝土本构。本节通过对比落锤实验及其有限元模拟的结果，讨论这三种混凝土本构的适用性。……

3.2 油罐车撞击钢箱梁桥上部结构模型有限元分析
3.2.1 有限元模型
(1) 罐体有限元模型
　　根据第一节的罐体模型设计，建立相应的有限元模型。其中，罐体模型采用MSC.MARC软件中的75号壳单元进行离散化。钢材本构选用Cowper Symonds本构。为便于建模，通过增大罐体有限元模型密度的方式，将试验中罐体及夹套配重的重量施加到罐体有限元模型上。最终模型建好后，如图3.16所示。……

4. 超高车辆撞击桥梁上部结构有限元模拟

4.1 有限元模型
　　第三章通过分析车桥碰撞模型试验结果，提出并检验了可以模拟碰撞过程的有限元本构和单元模型。本章将进一步采用这些本构和单元模型对真实车桥碰撞过程进行分析。
由于超高车辆-桥梁上部结构碰撞的力学过程非常复杂，因此对有限元模型提出了很高要求。本节将详细介绍本课题碰撞模拟的有限元模型，并对其单元尺寸、时间步长等参数进行讨论。
4.1.1 车辆有限元模型
4.1.1.1 标准双轴卡车有限元模型
　　近年来随着国际汽车行业的飞速发展，汽车碰撞分析发展很快，以LS-DYNA为代表的有限元软件在汽车碰撞分析中得到了广泛应用。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 Center，NCAC）还推出了基于LS-DYNA软件的标准汽车有限元模型系列，供研究者免费下载。本课题采用其中的标准双轴卡车有限元模型进行桥梁上部结构损坏机理分析，如图4.1所示，其质量为7.17t。
　　LS-DYNA有限元软件进行桥梁结构非线性分析存在较大难度[77,78]，相反，MSC.MARC有限元软件则有强大的桥梁结构非线性分析能力[65]，因此本课题将NCAC的标准双轴卡车有限元模型由LS-DYNA格式调整成MSC.MARC格式，以基于MSC.MARC有限元软件进行超高车辆-桥梁上部结构碰撞分析。
4.1.1.2 我国典型超高车辆有限元模型
　　此外，本课题还根据我国超高车辆现状，建立典型车型有限元模型，对其撞击结果进行比较。事故资料表明，超高车辆类型主要包括三类：厢式车、自卸车和罐车，如图4.2所示。因此以我国东风145厢式货车、东风3208自卸货车和东风EQ140水泥罐车为原型[83]（图4.3），建立如图4.4所示典型超高车辆的MSC.MARC有限元模型。……

4.2 典型桥梁上部结构损坏机理分析
　　本节首先基于4.1节建议的车辆和桥梁有限元模型，对四座典型桥梁上部结构遭受标准双轴卡车超高撞击过程进行了仿真，讨论了不同桥梁的损坏情况。然后进一步分析了超高车辆撞击下桥梁上部结构的损坏机理，包括损坏模式与损坏程度。……

4.3 桥梁上部结构损坏模式与损坏程度
4.3.1 损坏模式分类
　　事故调查和有限元仿真的结果表明，超高车辆撞击导致的桥梁上部结构损坏模式可以分为两类：局部型损坏和整体型损坏。
　　局部型损坏是由局部冲剪作用引起的碰撞区域损坏。对于钢筋混凝土T梁桥，局部型损坏比较严重，包括碰撞区域混凝土斜向开裂、崩落（图4.22，4.25）和钢筋屈服（图4.28），以及腹板-面板交接处混凝土纵向开裂（图4.23，4.26）；对于T型钢梁桥，局部型损坏也很严重，碰撞区域T型钢梁产生严重塑性变形（图4.63）；对于钢箱梁桥，局部型损坏表现为碰撞区域钢材屈服（图4.37，4.38，4.56）；对于混凝土箱梁桥，局部型损坏表现为碰撞区域混凝土开裂（图4.47）。
　　整体型损坏与整体位移响应相关，包括：（1）扭转变形导致扭转损伤（图4.64）；（2）水平弯曲和竖直弯曲变形导致弯曲损伤（图4.24）；（3）水平刚体平动导致落梁破坏（图4.52，4.55）。整体型损坏可能在超高车辆-桥梁上部结构碰撞过程中产生（如扭转损伤），也可能在车-桥相互作用结束后产生（如落梁破坏）。……

5. 简化计算模型及工程设计公式

5.1 简化计算模型
　　本书第四章通过非线性有限元模拟，研究了超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击荷载和破坏模式。为便于工程应用，本节首先通过对第4.2节仿真结果进行参数讨论，分析了撞击荷载的影响因素。然后据此提出了撞击荷载的简化计算模型并对其进行了验证。……

5.2 撞击荷载工程设计公式
　　本节通过对第5.1节撞击荷载简化计算模型进行参数分析，建议了撞击荷载的设计公式，以便于工程应用。
5.2.1 已有工程设计公式概述
　　第5.1节建立了计算撞击荷载的简化模型，虽然该模型比有限元模型简单了很多，但仍需进行微分方程组求解，对工程设计仍有一定难度。因此，本节基于简化模型，进一步提出便于工程应用的撞击荷载设计公式。虽然对超高车辆-桥梁上部结构碰撞荷载的设计公式国内外研究尚很缺乏，但在船撞桥墩和车撞护栏领域，对撞击荷载设计公式的研究比较充分。……

6. 桥梁上部结构防护对策

6.1 防护装置设计和分析
6.1.1 防护装置的初步设计
　　基于1.2.4 节有关资料，参考已有汽车防撞装置，本文提出一种薄壁钢管+钢板的防护装置，在桥梁腹板上并列安装一排薄壁钢管，在前端焊接较厚的钢板将它们连接起来。防护装置简图如6.1所示，薄壁钢管可以简化成为具有一定压缩刚度的弹簧，这些钢管以一定的间距垂直排列在桥梁腹板上，形成一个并联的弹簧系统，然后通过一块钢板将它们连接起来。为了使更多薄壁钢管能参与工作，钢板需要具有一定的厚度。……

6.2 桥梁上部结构防护装置试验研究
6.2.1 试验模型设计
　　为检验6.1节提出的薄壁钢管+钢板的防护装置的效果，本节对该防护装置进行了模型试验研究。试验的装置由两部分组成：一部分是耗能装置，由五个并排的薄壁钢管组成，其主要功能是通过自身的屈曲变形来吸收撞击的能量，从而减少由撞击而传递给桥体的能量，根据文献[12]，钢管的截面选为宽长比为0.6的矩形时，撞击力峰值小，吸收的塑性变形能大，具有最好的撞击防护性能；另一部分为扩散装置，由一块厚度较大的钢板作为防护装置的面板组成，通过扩散装置的连接，五个薄壁钢管在受到撞击时可以通过共同作用，吸收更多的能量，起到更好的防护作用。防护装置的具体尺寸见图6.5。……

7. 结论与展望

　　本书对通过事故案例调研、模型试验和理论分析，研究了超高车辆撞击桥梁上部结构的碰撞过程、作用机理、桥梁损伤演化过程和破坏特征，提出了相应的有限元仿真模型，撞击计算简化模型和撞击荷载工程设计公式，开发了实用的撞击防护装置，并通过模型试验和数值分析检验了其效果。其成果可供广大桥梁专业人员在桥梁设计和加固中参考。……

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