双层连续箱梁桥箱内壁卡车碰撞仿真研究

2015-03-11沈正峰涂劲松

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年4期

沈正峰，陈燊，涂劲松

（1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽六安 237012；2.福州大学土木工程学院，福建福州 350108）

国民经济发展越来越依靠于现代交通运输业的发展，桥涵是交通发展的重要组成部分。目前，双层桥面布置已被越来越多地使用，它可以充分利用桥梁净空，减少桥梁宽度，达到良好的经济效益［1］。

混凝土梁桥采用双层桥面布置始于20世纪60年代，2005年1月9日建成通车的澳门西湾大桥是一座双层连续箱梁跨海大桥，它是连接澳门岛与凼仔岛的重要交通枢纽。大桥上层桥面设计为双向6车道，下层桥面通行两线轻轨和两线汽车，主桥设计为（110＋180＋110）m双层预应力混凝土斜拉桥，主引桥设计为四联基本跨度为60 m的等高度连续梁桥，全桥总长1 825m，箱梁内安装有完善的排风、防火、消防等设备设施，台风期间下层汽车道仍能正常运行［2］。目前对于这种新型结构的箱梁内部防撞研究处于初级阶段，如何建立箱内防撞性能评估体系，是防撞减振设计亟待突破的课题。本文通过建立车－箱梁有限元模型，利用LS－DYNA软件进行求解，对碰撞系统进行仿真研究。

1 卡车－箱梁模型的建立

本文采用美国The National Crash Analysis Center Library所提供的F800－v2型卡车［3］，有限元模型如图1所示。

图1 卡车有限元模型

卡车长8.582m，车身宽度2.445m，车高3.276m，有限元模型将卡车划分为35 398个单元，包括质量部件、阻尼部件、弹簧部件总计151个部件，车质量8.034 6t。卡车模型定义了6种接触类型，21个接触，囊括了卡车车轮、车轴、车架、车厢之间的全部接触，甚至细微地定义了螺栓、弹簧等小部件之间的接触见表1所列。

表1 卡车模型的接触类型与数目

根据现有文献资料建立22m箱梁节段有限元模型［4－7］，约束箱梁两端节点所有自由度。通过前处理器处理，车－桥模型如图2所示。

根据文献［8－9］所述，大型车辆和小型车辆对护栏初始碰撞角有所区别。国外通过事故调查分析，大型车辆的碰撞角度为10°～25°，例如美国规范规定重型货车的碰撞角度为15°，欧盟EN1317－1998规范规定重型货车的碰撞角度为8°～15°。建立10°、15°、20°的初始碰撞角有限元模型，同时赋予卡车60、70km／h 2种初始速度，定义卡车与箱梁之间接触为CONTACTAUTOMATIC－SURFACE－TO－SURFACE，赋予摩擦系数为0.5，计算时间为0.45s，时间步长为0.67，接触刚度为0.5，分析卡车撞击对箱梁的影响。

图2 卡车－箱梁有限元模型

2 分析结果

由文献［3］可知箱梁受到小型汽车撞击产生的应力状态以及汽车的行驶轨迹对于箱内车辆行驶安全的重要性。由于卡车体积和质量比小型汽车大，护栏的强制导向性难度也会比较大，这导致卡车车身和护栏之间的作用也比较剧烈。同时，由于箱内空间狭小，卡车的行驶轨迹对于箱内其他车辆的安全行驶极为重要。

2.1 应力分析

通过6个工况的计算，可以得到箱梁的等值应力云图。图3所示为10°、60km／h工况箱梁受到碰撞的von Mises应力时程等值云图。

为了了解碰撞过程中不同角度和速度对箱梁应力的影响，提取20°、70km／h工况下箱梁在卡车冲击作用下的von Mises应力时程等值云图，如图4所示。

从图3可以看出，在t＝0.002 5s，汽车和护栏处于非接触状态，箱梁两端分布很大的应力，在栏杆尖端达到0.41MPa，箱梁其他部位应力分布十分均匀。碰撞侧护栏从汽车接触开始即出现局部应力集中，达到1.06MPa（t＝0.105s），很快在碰撞侧护栏扩散分布，整个箱梁除了伸出的翼缘没有出现很大的应力，其他部位都出现很大的瞬时应力，并反复出现，尤其是上下板和腹板连接部位，这和文献［3］中的小型汽车碰撞出现的应力集中部位类似，文献［3］的局部应力集中更加突出，但没有卡车撞击影响范围大。从大小上来说，在相同条件下，卡车撞击箱梁产生的应力和影响范围要远大于小型汽车。

从图4可以看出，碰撞前期箱梁出现应力集中的位置没有改变，但是从t＝0.135s开始，应力集中位置不断地往护栏集中，应力达到2.5MPa，在t＝0.175s时刻，护栏的应力集中变得极为突出，应力达到7.39MPa，而且主要集中在护栏上部。整个碰撞后期护栏受力远远大于箱梁其他部位，并在t＝0.267 5s出现微裂缝，说明卡车与护栏作用很强烈，混凝土护栏部分单元失效。当t＝0.447 5s，相对于其他部位，护栏与底板的连接部位应力变大，应力集中明显，这对箱梁安全造成很大的危害。

综上所述，卡车对箱梁的冲击破坏远远大于小型汽车，初始角度和速度都影响着箱梁的安全。由于现实中初始碰撞角度无法人为控制，所以在设计中要选择合适的护栏形式，强化护栏的视线导向性。对于设计碰撞速度更是要严格控制，从上述分析结果可以看出，当初始碰撞速度达到70km／h，护栏就出现局部混凝土单元失效，如果再考虑上层桥面行车等不利影响，整座桥的可靠度将不能得到保证。

图3 10°、60km／h工况下箱梁von Mises应力时程等值云图

图4 20°、70km／h工况下箱梁von Mises应力时程等值云图

2.2 卡车碰撞轨迹分析

由于卡车远远高于护栏，护栏在强制引导卡车速度方向时，卡车上部车厢可能会产生倾斜，加大车身与护栏的摩擦作用，甚至威胁到腹板安全；同时，卡车结构分车头和车身，车头速度的改变并不能立即传到车身，而是通过连接件的传递，在惯性作用下，车身将对护栏产生二次冲击。图5所示为卡车在15°、70km／h工况下的行驶轨迹。

由于卡车车头和车身在行驶平面可以转动，所以在碰撞时将会和小型汽车有很大的不同。通过定义加速度计，提取卡车车头和车身在整个碰撞过程的速度变化曲线如图6所示。

图5 卡车行驶轨迹

图6 各个工况卡车车头和车身合速度

从图6可以看出，卡车的图示初始速度和所定义的速度完全相同。在相同的碰撞角度下，车头和车身速度的最终减少量基本相同，车头速度的波动性比车身大；初始碰撞角度越大，速度的减少量越大，而且速度减少量随角度增大越来越敏感。车身的速度减少时间点明显滞后于车头0.03s，这将会造成车头和车身连接部位的强烈作用，对卡车结构的安全也会是一个很大的考验。

2.3 碰撞力分析

卡车车身较长，若有载重，惯性大，护栏改变其速度的难度远远大于小型轿车。

图7所示为卡车在6个工况下的碰撞力－时间曲线。由图7可知碰撞力时程曲线的变化经历了4个阶段。

图7 各工况碰撞力－时程曲线

（1）为了防止模型发生初始穿透，建模时卡车和底板有一定的距离，当赋予卡车一定的初始速度，卡车将做类似于平抛的自由落体运动。当达到0.025s左右，卡车车轮开始接触底板，和箱梁发生第1次碰撞，伴随着大约0.02s的车轮变形过程，即第1个波峰。由于卡车竖向（Z轴方向）碰撞速度和重力有关系，所以6个工况碰撞力的第1个波峰大致一样。

（2）卡车车头与护栏的碰撞，这个碰撞过程有2个峰值，分别是车头初次碰撞峰值和由车身传递到车头的二次碰撞峰值。车头在撞击护栏时刻，产生变形，碰撞力不断增加，由于后面车身仍保持一定的惯性向前行驶，最终通过车头二次撞击护栏出现第2个峰值。碰撞力大小符合在相同角度下，速度大碰撞力略大；相同速度下，角度越大碰撞力越大的规律。

（3）车头与护栏的不断作用。图6说明卡车与护栏的作用十分的剧烈，护栏对卡车的速度导向作用反力较大。

（4）卡车车头速度方向的转变。这表现为碰撞力在各个曲线中出现波谷，但是紧接着又出现波峰，说明车身部分将接触到护栏，并产生很剧烈的摩擦作用，车身有可能倾斜接触到腹板。