清华大学工学硕士学位论文

超高车辆-桥梁上部结构碰撞：机理分析与荷载计算

研究生：张炎圣
指导教师：陆新征

摘要：近年来，随着城市立体交通的快速发展，超高车辆撞击桥梁上部结构的事故频繁发生，严重威胁桥梁结构安全和城市交通运行。仅以北京为例，50%的桥梁上部结构曾遭超高车辆撞击，由此损坏的桥梁占已损坏桥梁总数的20%以上。因此，开展超高车辆撞击桥梁上部结构的损坏机理和防护对策研究具有重要的工程意义。然而，国内对此研究尚很不足，国外已经开展了一些研究，但也不够系统，且国外与我国的桥梁和车辆情况都有所差别。因此，需要尽快开展针对我国超高车辆撞击桥梁上部结构事故的研究。
本文基于事故案例调查和非线性有限元模拟，对超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击过程、作用方式、损坏机理、荷载大小等进行了研究，主要成果包括：
(1) 建立了超高车辆-桥梁上部结构碰撞的高精度非线性有限元模型，对车辆和桥梁有限元建模的单元类型、边界约束条件、材料本构等进行了讨论和验证；
(2) 对超高车辆撞击桥梁上部结构的典型事故进行了有限元仿真，得到了车桥碰撞过程，分析了车辆和桥梁参数对撞击后桥梁损坏模式和损坏程度的影响，结果表明超高车辆撞击导致桥梁上部结构的损坏主要包括整体型损坏和局部型损坏两类；
(3) 基于有限元分析结果，提出了超高车辆-桥梁上部结构碰撞的简化计算模型，标定了简化模型的参数，简化模型得到的撞击力时程与精细化有限元计算结果吻合良好；
(4) 基于简化模型，进一步提出了超高车辆撞击桥梁上部结构冲量和撞击力的工程设计公式，并通过大量计算，给出了公式系数取值表格，从而可以方便计算撞击荷载，基于设计公式计算的撞击荷载与精细化限元计算结果吻合良好。
关键词：超高车辆 桥梁上部结构 撞击 有限元分析 设计公式