车辆墩柱模型碰撞动力响应分析

卢文良，李文会，李晓龙，彭勃阳

(1.北京交通大学，北京 100044;2.北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037;3.北京市市政工程设计研究总院，北京 100082)

随着国民经济的高速增长，我国机动车数量快速增加，各大城市均出现了车辆拥堵现象。城市高架桥对改善交通拥挤、改善市容起到了重要作用。然而近些年来汽车撞击城市桥梁桥墩的事故时有发生，这类事故不仅仅造成人员车辆的损失，也对桥墩甚至整座桥梁的安全性、耐久性造成非常不利的影响。根据有关数据统计，北京的立交桥半数以上曾被车辆撞击，所以车辆撞击桥梁问题需要进行深入研究。

我国现行公路桥梁设计规范［1］中对车辆撞击桥梁的作用规定比较笼统，只是简单地给了一个撞击力数值。实际上车辆撞击桥梁的影响因素很多，例如车辆的类型、撞击时的速度以及桥梁的类型、重要性系数都应该考虑在内。目前国内在桥梁碰撞方面做了一些数值模拟和仿真分析的研究。如文献［2］做了碰撞数值模拟算法的研究，文献［3］做了桥墩在船舶撞击的仿真研究，陆勇等进行了汽车撞柱的仿真分析［4］，陆新征等［5］进行了超高车辆与立交桥梁碰撞的非线性仿真分析。文献［6］研究城市跨线桥桥墩在普通车辆撞击下的受力状态及车—桥的碰撞机理，并模拟分析了在车辆不同的撞击角度下桥墩的应力及位移变化状态。文献［7］通过有限元程序 ABAQUS，针对不同车速车辆垂直撞击桥墩的情况进行了模拟分析。文献［8］采用通用有限元程序 ABAQUS，进行了桥梁在超高车辆以不同车速垂直撞击情况下的数值模拟。由于足尺车辆撞实桥的试验难度相当大，且代价非常高昂，基本上是车毁桥伤，所以通过计算机模拟技术及缩尺模型试验进行车桥碰撞分析，具有非常明显的优势。本文进行了车—墩柱碰撞有限元模拟分析，并与室内试验数据进行了对比研究。

1 小车—墩柱模型撞击试验

为了模拟车辆与桥墩的撞击，在实验室中进行缩尺模型试验。小车质量3.8 kg，混凝土墩柱模型高60 cm，直径16 cm。混凝土强度等级为 C50，墩柱内置4根直径10 mm的光圆钢筋。墩柱采用压重固定形式。试验中将小车前部用泡沫包住，这样既可以减少碰撞时的能量损失，模拟汽车的吸能设计，又可以减小小车对墩柱的局部冲击过大。在墩柱下部的前后都布置了应变片，在墩柱上部布置了加速度传感器，见图1。试验时，小车采用不同速度撞击墩柱，小车撞击时的瞬时速度采用视频测量。

图1 车与墩柱撞击试验示意(单位:cm)

限于篇幅，此处仅介绍两种速度撞击墩柱时的数据，2.3 m/s和3.5 m/s。撞击速度为2.3 m/s时，墩前应变最大为 63×10－6，墩后应变最大为 8×10－6，最大加速度为0.22 g。撞击速度为3.5 m/s时，墩前应变最大为 108 ×10－6，墩后应变最大为 75 ×10－6，最大加速度为0.32 g。可以看出，撞击速度越大，墩柱的应变以及加速度越大。墩顶加速度及墩前应变基本与车速成正比。图2和图3分别为车速为3.5 m/s时墩顶加速度和墩柱应变时程曲线。

图2 墩顶加速度试验值

图3 墩后应变试验值

2 车辆—墩柱碰撞系统有限元分析

2.1 有限元模型

为了与试验进行对比分析，建立了车辆—墩柱系统碰撞有限元分析模型，采用LS—DYNA软件进行计算。有限元模型尺寸和材料都参照模型试验。C50混凝土用双线性各项同性模型，建模时墩底考虑两种边界条件:一种为固结，用于模拟基础较深的桥墩;另一种为弹性边界，用来模拟浅基础、受冲刷的桥墩。室内试验时，墩柱底部的约束条件为弹性边界。小车主要材料为钢材，钢材采用弹性材料模型。车身前部采用泡沫材料，泡沫采用LS-DYNA中的泡沫材料模型——FOAM低密度高压缩性材料模型。接触部分采用泡沫既可以模拟实际汽车撞击时发生变形所产生的吸能、缓冲作用，又可以避免有限元计算中产生较大的局部应力。有限元模型如图4所示。

2.2 有限元计算结果

计算中考虑了不同边界条件、不同撞击速度的多种工况。为了能与实际情况的车速相比较，选择了撞击速度分别为 12.6 km/h，45 km/h，60 km/h三种情况。撞击速度为60 km/h时，进行了墩柱底部边界条件为完全固结与弹性约束两种情况的对比。撞击速度为12.6 km/h第0.054 s时车和柱的位移和墩柱竖向应变如图4所示，各种工况下的主要计算结果见表1。

图4 第0.054 s的位移和墩柱竖向应变

表1 各工况下动力响应

由表1可知，撞击速度越大，墩柱产生的动力响应越大。同样的撞击速度，底部为固结边界的桥梁其动力响应要小一些，但是墩柱底部的应变要大。

3 有限元计算与试验对比

试验是研究车—桥碰撞问题的直接手段，但代价高、不便实现。有限元数值模拟是替代模型试验的可行方法。为了验证有限元模拟的仿真可信性，进行试验与仿真分析的对比分析是十分重要的。本次试验中对墩柱底部的固定效果不是绝对固结，所以与边界条件为弹性连接的有限元模型相对比。选撞击速度12.6 km/h，有限元分析的加速度和应变变化，如图5和图6所示。

图5 有限元模拟的墩顶加速度

图6 有限元模拟的墩后应变

由图2和图5以及图3和图6可以看出，有限元和模型试验的结果基本吻合。墩顶加速度在0.2～0.3 g之间;墩后应变在 ±60×10－6之间。由此可以看出，用有限元对车辆碰撞墩柱的仿真模拟是可行的。

4 结论与建议

通过试验与有限元分析得出如下结论与建议:

1)车辆以不同速度撞击墩柱产生的动力响应不同。速度越大，墩柱的动力响应越大，墩顶加速度与墩后应变基本与车速成正比。

2)基础是否牢固对墩柱动力响应的影响较大，车辆撞击对于采用浅基础的桥墩危害更大，良好的固结会减少墩柱的动力响应。

3)用有限元方法进行车辆—墩柱系统碰撞数值分析是可行的。

4)试验和有限元分析仍然需要进行研究，如分析车辆质量、撞击角度等对分析结果的影响，及模型与实桥相似性问题。

［1］ 中华人民共和国交通部．JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］ 王福军，程建钢，姚振汉，等．结构碰撞数值模拟的一类接触算法［J］．工程力学，2002，19(1):130-134．

［3］ 王君杰，陈诚．桥墩在船舶撞击作用下的损伤仿真研究［J］．工程力学，2007，24(7):156-160．

［4］ 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，2006，174(1):28-31．

［5］ 陆新征，张炎圣，宁静，等．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):29-37．

［6］ 蒋洪涛，裴小吟．车辆撞击城市跨线桥桥墩的损伤机理分析［J］．西部交通科技，2011(1):66-69．

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

［8］ 马祥禄，高志升，张丹华．不同速度超高车辆碰撞下跨线桥动态响应分析［J］．山西建筑，2009，35(20):304 －306．