超高车辆碰撞桥梁的有限元损伤分析

毕晨华，张永水

（重庆交通大学土木建筑学院桥梁与隧道工程系，重庆 400074）

超高车辆碰撞桥梁的有限元损伤分析

毕晨华，张永水

（重庆交通大学土木建筑学院桥梁与隧道工程系，重庆 400074）

基于ABAQUS有限元分析软件，充分考虑钢筋与混凝土的共同受力及混凝土的材料非线性，对超高车辆碰撞桥梁进行仿真模拟。针对不同车速下超高车辆对桥梁的撞击问题，分析车-桥的碰撞机理及撞击对桥梁的损伤情况。分析发现:碰撞速度越大，主梁应力越大，且达到最大应力所需的时间越短;碰撞对主梁的损伤破坏是非常大的，特别是受拉损伤，且损伤主要发生在碰撞的前半程。

桥梁;碰撞;ABAQUS;应力;损伤

经济的飞速发展必然带动人们对交通的需求，为缓解地面交通的压力，交通空间化、立交化日益明显，大量的跨线桥等立体交通应运而生。但随之而来的交通事故的发生率也在飞速增加。由于驾驶员的违规驾驶，管理体系不健全等原因，超高车辆与桥梁的碰撞事故屡见不鲜［1］。据有关统计，北京半数的桥梁被超高车辆撞过，撞桥事故每年都有几十起［2］。

桥梁被撞后如不进行快速有效的修复，将会给人们出行造成很大的不便，对经济建设也会造成很大的损失。进行修复加固等措施的前提是对被撞桥梁的损伤程度进行检测和评估。目前国外对车-桥撞击问题已经做了很多研究，但我国尚未有桥梁结构意外损伤评估体系。笔者针对桥梁被超高车辆碰撞的事故，对不同的速度撞击状况进行有限元模拟及结构损伤程度分析。

1 模型

1.1 有限元模型

本研究中主梁由3片刚性连接的钢筋混凝土T梁组成，宽5.7 m，梁高1.7 m，跨度 13 m，两端及跨中设横隔板。采用C50的混凝土，普通钢筋采用HRB335［3］。汽车为 40 t的重车。

由于ABAQUS能够很好的模拟钢筋混凝土且对瞬时动力学问题的分析特别有效［4］，故选用ABAQUS作为有限元分析软件对该问题进行计算分析。模型中汽车和主梁用实体单元模拟，钢筋用杆单元模拟［5］。混凝土本构采用ABAQUS中提供的损伤塑性模型［6］。该模型假定混凝土材料主要因为拉伸开裂和压缩破坏而破坏，在规范提供的混凝土本构模型的基础上［7］，引入损伤因子d的概念，当损伤因子d=1是为完全损伤，即混凝土完全被破坏。有限元模型见图1。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 分析工况

车辆的撞击方向为沿主梁的横桥向垂直撞击，位置为主梁跨中腹板外缘［8］，距马蹄下缘40 cm处。与主梁的接触面积为0.4 m2。撞击时间为0.12 s。按不同的车速分为3个工况:工况1，车速50 km/h;工况2，车速60 km/h;工况3，车速70 km/h。

2 计算结果

2.1 主梁应力

图2为超高车辆速度为60 km/h时与主梁碰撞后，主梁的应力云图。可以看出，碰撞开始时主梁的最大应力出现在正碰点处，随着碰撞的进行，截面发生扭转，碰撞位置正上方的翼板处的应力逐渐增大，同时，由于横隔板的存在，应力迅速向四周扩散，混凝土屈服并进入塑性状态。

图2 车速为60 km/h，主梁Mises应力云图Fig.2 Mises stress nephogram of girder at the speed of 60km/h

图3中给出了不同碰撞速度下正碰点处的Mises应力随时间的变化。图中可以看出在任意碰撞速度下，正碰点的Mises应力都呈现先增大后减小的总趋势，在0.01～0.03 s时有一段应力的下降，是因为扭转变形使得部分应力得以释放;还可以看出达到最大Mises应力大概是在0.06～0.1 s的这段时间，碰撞速度越大，应力越大，达到最大应力的所需的时间也越短。

图3 不同时速正碰点处主梁Mises应力时程曲线Fig.3 Mises stress displacement and time curve of girder at the positive bump point at different speed

2.2 损伤分析

图4和图5分别为碰撞速度为60 km/h时，主梁受压损伤云图和受拉损伤云图，从图中可以直观的看出，这种碰撞对主梁的损伤破坏是非常大的，特别是受拉损伤。

图4 车速60 km/h主梁受压损伤云图Fig.4 Plot contours of compressive damaged girder at the speed of 60 km/h

图5 车速60km/h主梁受拉损伤云图Fig.5 Plot contours of tensile damaged girder at the speed of 60 km/h

将主梁受拉、压损伤单元数与总单元数的比值作为损伤程度，绘制如下主梁损伤程度时程曲线。由图6和图7可以看出，碰撞前半程，随着时间的增长，受拉区混凝土裂纹不断扩展，到0.6 s时已有80%的受拉区混凝土遭受破坏，在0.06～0.1 s的这段时间受压损伤程度增长迅速，而后达到最大值且渐渐保持平稳;速度越大，受拉、压损伤程度越严重，车速为50 km/h时，90%的混凝土受拉破坏，半数的的受压区混凝土被压溃，由此可见超高车辆碰撞的危害性。

图6 主梁受压破坏损伤程度时程曲线Fig.6 Time-history curve of girder under pressure destruction damage degree

图7 主梁受拉破坏损伤程度时程曲线Fig.7 Time-history curve of girder under tensile destruction damage degree

3 结语

车桥碰撞是个很复杂的过程，ABAQUS能够较好的对碰撞过程进行仿真模拟，并得出其损伤情况。笔者针对不同速度的超高车辆对T梁的碰撞进行了有限元模拟分析，结果如下:

1）碰撞过程中，正碰点处的应力呈先增大后减小的总趋势，车速越大应力越大且达到最大应力的时间越短;

2）碰撞速度越大，受拉、压损伤程度越大;

3）碰撞对于桥梁的损伤破坏非常大，尤其是受拉破坏，文中3种不同速度均能使主梁的受拉损伤达到90%以上，受拉损伤主要发生在碰撞的前半程。

（References）:

［1］ 史晓斌.预防城市桥梁被车辆撞击的探讨［J］.市政技术，2009，27（5）:465-466.

SHI Xiao-bin.On crash proof for urban bridge caused by vehicle［J］.Municipal Engineering Technology，2009，27（5）:465-466.

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

ZHANG Yan-sheng，LU Xin-zheng，NING Jing，et al.Computer simulation for the impact between over-high truck and composite viaduct［J］.Traffic and Computer，2007，25（3）:65-69.

［3］ JTGD 60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009:189-195.

［5］ 裴小吟，文传勇，张永水.城市桥梁被车辆撞击后损伤分析初探［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30（1）:19-21.

PEI Xiao-yin，WEN Chuan-yong，ZHANG Yong-shui.Preliminary analysis on the collision damage of urban bridge caused by vehicle［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30（1）:19-21.

［6］ 张劲，王庆扬，胡守营，等.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证［J］，建筑结构，2008，38（8）:127-130.

ZHANG Jin，WANG Qing-yang，HU Shou-ying，et al.Parameters verification of concrete damaged plastic model of ABAQUS［J］.Structure of Building，2008，38（8）:127-130.

［7］ GB 50010—2002混凝土结构设计规范［S］.北京:中华人民共和国建设部，2002.

［8］ 马祥禄，高志升，张丹华.不同速度超高车辆撞下跨线桥动态响应分析［J］.山西建筑，2009，35（20）:304-305.

MA Xiang-lu，GAO Zhi-sheng，ZHANG Dan-hua.Dynamic response analysis of flyover under collision of ultrahigh vehicle with different speeds［J］.Shanxi Architecture，2009，35（20）:304-305.

Damage Analysis on Collision between Over-High Truck and Bridge Based on FEM

BI Chen-hua，ZHANG Yong-shui
（Department of Bridge＆ Tunnel Engineering，School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on finite element analysis software ABAQUS，the collision between over-high truck and bridge is simulated，which considers the co-bearing of steel and concrete，as well as the material nonlinearity of concrete.According to the collision caused by over-high truck at different speed，the collision mechanism of car-bridge and the damage of bridge due to the collision are researched.Analysis shows that the higher the vehicle speed，the larger the stress of the girder，and the shorter the time needed to amount to the maximum stress;the damage of girder is very large due to the collision，especially the tension damage，and the damage mainly occurs in the first half of the collision.

bridges;collision;ABAQUS;stress;damage

U446.3;U447

A

1674-0696（2011）06-1294-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.08

2011-06-15;

2011-06-29

北京市自然科学基金项目（8102034）

毕晨华（1988-），女，山东日照人，硕士研究生，主要从事桥梁施工技术与工程（智能）控制技术方面的研究。E-mail:bichenhua@126.com。