基于ANSYS 的钢桁架桥汽车撞击分析

唐 杨

（重庆交通大学 重庆 400074）

近年来，桥梁由于受到撞击荷载导致桥梁受损甚至倒塌的灾害频发，相关课题组对2000 年以来国内91 起桥梁倒塌事故进行研究分析发现，撞击（船舶或者车辆）是仅次于洪水灾害造成桥梁倒塌的重要因素[1-2]。深圳大学的周海俊[3]研究了美国1989 年到2000 年间503 座大桥的失效案例，其中20%是由于超载和侧向撞击所致。由此可见，桥梁由于撞击而受损或者倒塌是一个不容忽视的问题。

桥梁受到外来撞击，主要来自车辆和船舶，在船舶撞击方面，主要研究撞击桥墩[4-5]的问题。在车辆撞击方面，由于车辆超高的问题，撞击点可能出现在上部结构，查阅目前桥梁撞击的相关文献资料，发现桥墩受到撞击的研究较多[6-9]，而对于上部结构受到撞击作用的研究较少[10-11]。本文将根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的相关规定对一座钢桁架桥进行撞击受力分析。

1 工程概况及有限元模型建立

钢桁架桥全长64 m，高5.5 m，两片主梁横向间距5 m，一半结构如图1 所示。钢桁架桥采用三种不同的工字型杆件，上、下弦杆采用的工字型杆件高0.4 m，宽0.4 m，钢板厚度20 mm，腹杆采用的工字型杆件高0.3 m，宽0.3 m，钢板厚度16 mm，纵梁之间的横梁采用的工字型杆件高0.4 m，宽0.4 m，钢板厚度20 mm，桥面板采用Q345 钢板，板厚8mm。Q345 钢材弹性模量为210 GPa，泊松比0.3，容重78 kN/m3。

采用ANSYS 18.0 建立有限元模型，钢桁架采用Beam188 单元，钢桥面板采用Shell181 单元，撞击力采用节点力施加，其有限元模型如图2 所示，结构分析中采用的单位制为N、m、Pa。

参考《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[12]中4.4.3 条的规定，汽车撞击力设计值在车辆行驶方向应取1 000 kN，在车辆行驶垂直方向应取500 kN，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2 m 的位置。简化考虑将撞击作用点下移到行车道平面，同时在行车道与钢桁架的节点位置施加相应的力矩。由于该桥为简支结构，横桥向撞击位置考虑在跨中截面较为不利，本文分析的撞击位置都考虑为跨中。

图1 一半钢桁架结构

图2 全桥整体有限元模型

2 结构受力分析

2.1 横桥向撞击结构受力分析

由于规范中规定两个方向的撞击力不同时考虑，先施加横桥向撞击力进行结构分析，横桥向施加500kN 集中荷载，600 kN·m 等效弯矩。钢桁架桥的总位移云图如图3，横桥向位移云图如图4，结构的Mises 应力云图如图5。

图3 横桥向撞击总位移云图

图4 横桥向撞击横桥向位移云图

图5 横桥向撞击Mises 应力云图

由图3 和图4 可以看出，在横桥向撞击作用下，钢桁架桥的总位移最大值出现在跨中位置的上弦杆，达到16.7 mm，其中横桥向位移达到16.0 mm。由此可见，在横桥向的撞击作用下，钢桁架桥主要发生横桥向位移。

由图5 可以看出，钢桁架桥在横桥向撞击作用下，其最大Mises 应力出现在跨中位置的钢桥面板的边缘，达到10.1 MPa。

2.2 顺桥向撞击结构受力分析

图6 顺桥向撞击总位移云图

图7 顺桥向撞击顺桥向位移云图

顺桥向施加1000kN 集中荷载，1200 kN·m 等效弯矩，得到钢桁架桥的总位移云图如图6，横桥向位移云图如图7，结构的Mises 应力云图如图8。

由图6 和图7 可以看出，钢桁架桥在顺桥向撞击荷载作用下，结构的最大总位移为1.9 mm，远小于横桥向撞击作用下的位移，其中顺桥向的最大位移为0.6 mm。由图8 可以看出，最大Mises 应力出现在跨中位置附近的钢桥面板的边缘，达到4.7 MPa。

图8 顺桥向撞击Mises 应力云图

图9 横桥向撞击

根据以上横桥向撞击作用和顺桥向撞击作用下的结构受力分析来看，横桥向撞击作用力虽然小于顺桥向撞击作用力，但是横桥向撞击起到控制作用，横桥向撞击作用下结构的变形和应力远大于顺桥向撞击作用下结构的变形和应力。

3 特征值分析

3.1 横桥向撞击特征值分析

图10 横桥向受力特征值分析

横桥向撞击力不变，对横桥向撞击进行特征值分析，模态数设置为10，得到横桥向撞击下不同模态所对应的特征值，其特征值大小变化曲线如图9 所示，提取前5 阶模态下结构的变形云图，如图10所示。

由图9 可以看出，横桥向撞击作用下的最小特征值为5.8，之后特征值在14 和24 附近较为集中，虽然特征值分析中没有考虑结构的初始缺陷，但最小特征值较大，钢桁架桥在横桥向撞击作用下发生失稳的可能性较低。

由图10 可以看出，起初结构在受力位置附近发生较大的位移，接着结构失稳会出现在活动支座一侧的绝大部分区域。由此可见，当撞击力较小（特征值较小）时，结构失稳只发生在撞击点位置附近的局部区域，撞击力较大（特征值较大）时，结构失稳逐渐扩展到全桥，变形最大的位置出现在活动支座一侧的上弦杆。

3.2 顺桥向撞击特征值分析

图11 顺桥向撞击特征值

顺桥向撞击力不变，对顺桥向撞击进行特征值分析，模态数设置为10，得到顺桥向撞击下不同模态所对应的特征值，其特征值大小变化曲线如图11 所示，提取前5 阶模态下结构的变形云图，如图12所示。

图12 顺桥向受力特征值分析

由图11 可以看出，顺桥向撞击作用下的最小特征值为16.9，与横桥向撞击作用下的最小特征值相比较大，由此可见在顺桥向撞击力下，钢桁架桥具有足够的稳定性。

由图12 可以看出，钢桁架桥在顺桥向撞击作用下，结构整体上的失稳规律与横桥向撞击下相似。撞击力较小（特征值较小）时，失稳的位置出现在撞击点附近的局部区域，尤其是撞击点位置的上弦杆和桥面板存在较大变形，当撞击力较大（特征值较大）时，活动支座一侧的上弦杆和桥面板变形较大。

4 结 论

根据以上钢桁架桥在横桥向撞击作用和顺桥向撞击作用下的受力分析可以得到以下几点结论。

（1）根据受力分析可见，钢桁架桥在撞击荷载作用下结构变形较小，应力较低，同时从特征值分析来看，其最小特征值较大，钢桁架桥有较强的抗撞击能力。

（2）横桥向撞击力虽然小于顺桥向撞击力，但横桥向撞击下钢桁架桥的变形和应力远大于顺桥向撞击下钢桁架桥的变形和应力，且横桥向撞击下的最小特征值约为顺桥向撞击下的最小特征值的三分之一，可见横桥向撞击下结构更为危险。

（3）从车辆撞击荷载作用下的各阶模态来看，当撞击力较小时，钢桁架桥主要在撞击点附近出现局部较大变形，当撞击力较大时，钢桁架桥的活动支座一侧会出现最大的变形，并逐渐影响到固定支座一侧。