混凝土防护方式对人行天桥车撞动力响应的影响分析

胡镕涛　王垚蓓　邵俊虎　张义正　陈小平

【摘 要】近年来不断增多的车撞桥交通事故，对桥墩结构的工作状态和使用寿命造成了严重影响，桥墩的防护措施成为了桥墩设计中的重要一环。文章分析了不同的混凝土防护方式对人行天桥桥墩动力响应的影响。采用有限元软件，建立了四种不同混凝土布置方式的桥墩有限元模型，并进行了车撞桥数值模拟，得到了车辆撞击桥墩时的撞击力、桥墩应力、桥墩顶部以及局部变形。研究结果表明：（1）外包混凝土防护与内填混凝土防护都可以减小桥墩钢管应力大小;（2）外包混凝土防护与内填混凝土防护都可以减小桥墩钢管的局部变形和顶部变形;（3）不同的混凝土防护方式对撞击力第一峰值影响都较小，外包混凝土的防护方式会减小撞击力第二峰值。

【关键词】车撞桥; 有限元; 混凝土防护; 撞击力; 动力响应

【中图分类号】U443.26【文献标志码】A

近年来，车撞桥墩事故不断增多，其中大型车辆撞击桥墩可能导致桥梁发生明显开裂、垮塌，对桥墩结构与人身安全都造成严重影响。小型车撞击桥墩后，车辆变形较大，损伤明显，桥墩虽然变形较小，但其结构的工作状态和使用寿命仍会受到一定程度的影响。2019年5月15号，104国道东郭段上跨甬金高速，东郭立交桥下，侧翻的一辆集装箱车撞击到桥墩，导致104国道东郭立交桥立柱多处开裂，见图1。2020年1月20日清晨7时左右，郑州一辆网约车出车时突然失控撞上陇海路立交桥下水泥墩，桥墩无明显变形损伤，见图2。

陆勇和曹立波[1]运用有限元软件LS-DYNA和MADYMO模拟车辆与墩柱的碰撞。通过对比数值模拟结果与所采集到的事故数据，得出了实际的撞击事故能通过有限元仿真技术较好地反映。程海根和邹江娜[2]采用LS-DYNA有限元软件分析车辆与桥墩的碰撞，研究碰撞发生时撞击角度对桥梁的影响。崔堃鹏等[3]采用LS-DYNA有限元软件，分析了Ford卡车以不同速度撞击桥墩的撞击力特性。曾详国等[4]采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，分析了不同撞击速度下桥墩的动力响应，获得了动态撞击力时程曲线，同时计算了撞击力评价指标，并与美国、欧洲、中国的桥梁设计规范作比较。王鹏[5]基于ANSYS有限元分析软件，研究了不同车辆质量、撞击速度、撞击角度对有无外包混凝土防护桥墩的动力响应的影响。耿春生等[6]采用ABAQUS有限元软件，研究了不同车辆质量、撞击速度对冲击力、混凝土应力、混凝土损伤程度的影响。冯明杨等[7]利用摆锤撞击模型墩柱试验，研究了橡胶混凝土覆层对模型墩柱的自振特性、不同撞击速度下的撞击响应峰值及振动衰减规律的影响。

综上所述，在车辆撞击桥墩的研究中，多是通过改变车辆模型、桥墩尺寸、增加防护装置、改变防护材料等方式研究车桥碰撞的动力响应，少有探究不同混凝土防护方式对车桥碰撞的动力响应的影响。基于以上分析，本文分析了不同混凝土防护方式对桥墩保护的有效性，基于LS-DYNA有限元软件建立了车撞桥的有限元模型，并得到了桥墩的动力响应，通过对比桥墩的应力变化、桥墩变形、撞击力变化，得出了较优的混凝土防护方式。旨在对今后的桥墩防撞的设计提供一定参考作用。

1 车桥碰撞有限元模型

有限元模型中，车辆原型为福特金牛（Taurus-V02），该模型为美国国家碰撞中心（NationalCrashAnalysisCenter， NCAC）开发的车辆模型。撞击质量为1.37 t，撞击速度为50 km/h。车辆轮胎、座位的连接部位采用*MAT_RIGID材料，车辆外壳采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料，钢管均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[8]动力塑性材料;钢管防护采用C30混凝土，有限元软件中均采用*MAT_ELASTIC[8]材料，混凝土材料与钢管材料参数，见表1。本文将桥墩底部单元与地面固结，约束桥墩底部节点X、Y、Z 3个方向的平动自由度。由于车撞桥过程中，主要关注部位为桥墩，因此，本文仅仅建立了桥墩的有限元模型，忽略上部结构的影响，有限元模型见图3。

2 混凝土防护方式对人行天桥车撞动力响应的影响分析

2.1 数值仿真工况

经仿真碰撞模拟后得出，碰撞过程在0.15 s内结束，故工况模拟的计算时长设为0.15 s。设置四种计算工况，见表2。四种桥墩模型见图4，模型A为空心钢管桥墩，没有外包、内填任何混凝土。桥墩模型B在模型A基础上仅内填一定高度混凝土。桥墩模型C在模型A基础上仅外包一定高度混凝土。桥墩模型D在模型A基础上外包一定高度混凝土的同时内填一定高度混凝土。

2.2 能量转化

本文以工况4，车辆撞击桥墩模型D为例，得到的能量转化图，见图5。总能量由动能、内能、沙漏能、滑移能组成。在碰撞最开始，总能量为初始动能。随着车辆与桥墩开始碰撞，动能逐渐减小，内能逐渐增大，沙漏能和滑移能小幅度增加。其中大部分能量由动能转换为内能。在碰撞后总能量有微小下降，这是有限元软件的误差造成的，碰撞结束后沙漏能小于总能量的5 %，计算结果是可靠的。

2.3 车辆及桥墩的动力响应与最优防护方式

2.3.1 撞击力

车辆撞击力峰值是车辆撞击后变形情况的直接反应，也是衡量桥墩破坏程度的一个重要指标。本节提取四种工况下车辆撞击桥墩的撞击力时程，见图6。

四种工况下，随着碰撞过程的持续，撞击力均先增大至第一次撞击力峰值，第一峰值发生在车头前的保险杠撞击受压时，然后撞击力先减小再上升，达到第二次撞击力峰值，第二峰值发生在发动机受压时。由于车辆动能不断减少，撞击力逐渐减小为0。

四种工况下，撞击力第一峰值均发生在0.048 s，最大撞击力为在0.47 MN左右，变化微小。撞击力第二峰值均发生在0.077 s，峰值有较大变化，其中工況2的第二峰值最高，达到了0.433 MN，其次为工况1，第二峰值最大值为0.393 MN，工况3、工况4的第二峰值最低，均为0.355 MN。

综上可知，仅设置外包混凝土防护与既设置外包混凝土防护又设置内填混凝土防护都可以有效减小撞击力第二峰值。而仅设置内填混凝土防护会增大第二撞击力。混凝土防护方式的不同对撞击力第一峰值大小基本无影响、对撞击作用时间基本无影响。

2.3.2 桥墩应力分析

本节提取四种工况下钢管所受最大应力时刻的Misses应力云图，见图7。

工况1在没有混凝土的防护的情况下，钢管所受应力在0.045 s达到了最大值358.9 MPa。工况2在有内填混凝土的情况下，钢管所受应力在0.075 s达到最大值55.65 MPa，相对工况1减少了6.45倍。工况3在有外包混凝土的情况下，钢管所受应力在0.045 s达到最大值63.37 MPa，相对工况1减小了5.4倍。工况4在既有外包混凝土又有内填混凝土情况下，钢管所受应力在0.075 s達到最大值7.261 MPa，相对工况1减小了49.4倍。

综上可知，对没有任何混凝土防护的钢管桥墩，设置外包混凝土防护、内填混凝土防护都可以有效地减小钢管所受到的应力，且设置内填混凝土防护的效果与仅设置外包混凝土防护的效果相当。既设置外包混凝土防护又设置内填混凝土防护的效果最好。

2.3.3 桥墩顶部与局部变形深度

本节提取四种工况下，桥墩顶部与局部的变形见图8、图9。

工况1中钢管的局部撞击点最大变形为1.35 mm，钢管顶部最大变形为3.94 mm。工况2中钢管局部最大变形为0.05 mm，顶部最大变形为0.58 mm，相对工况1钢管变形分别减少了27倍与6.8倍。工况3中钢管的局部最大变形为0.179 mm，顶部最大变形为1.18 mm，相对工况1钢管变形分别减少了7.5倍与3.33倍。工况4中钢管局部最大变形为0.019 mm，钢管顶部最大变形为0.28 mm，相对工况1钢管变形分别减少了71倍与14倍。

综上可知，对没有任何混凝土防护的钢管桥墩，设置外包混凝土防护、内填混凝土防护均可以减小钢管的顶部和局部变形。仅设置内填混凝土防护方式比仅设置外包混凝土的防护方式对钢管变形的保护效果更好。既设置外包混凝土又设置内填混凝土的防护方式对钢管起到的保护效果最好。

2.3.4 不同防护方式的效果

综上可知，不同的混凝土防护方式对桥墩的保护程度不同，既设置外包混凝土防护又设置内填混凝土防护的效果在各方面的效果均最优，见表3。同时，仅内填混凝土防护会增大撞击力第二峰值，且在碰撞过后，内填混凝土难以修复，而外包混凝土不仅不会增大撞击力第二峰值，而且在实际生活中也更易修复、易更换、更经济实惠。综上所述，既外包又内填的混凝土防护方式可以最高效地保护桥墩。同时，综合各方面因素，在实际生活中，也可以使用仅外包混凝土的防护方式。

3 结论

本文基于LS-DYNA有限元软件建立了车撞桥有限元模型，并分析了四种不同混凝土布置方式对车撞桥的动力响应的影响，同时得出了其中较优的混凝土防护方式，结论如下：

（1）仅外包混凝土防护与同时设置两种混凝土防护均可以减小撞击力第二次峰值，但对第一次峰值几乎无影响，对撞击力作用时间几乎无影响。

（2）外包混凝土防护与内填混凝土防护均可有效的减小桥墩钢管所受到的应力。同时设置两种混凝土防护效果最好。

（3）外包混凝土防护与内填混凝土防护均可减小桥墩钢管的局部变形和顶部变形，且仅内填混凝土防护比仅外包混凝土防护的效果更好，同时设置两种混凝土防护效果最好。

参考文献

[1]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（1）：28-31.

[2]程海根，邹江娜.用LS-DYNA仿真车-桥墩碰撞时角度对桥梁的影响[J].华东交通大学学报，2013，30（6）：19-24.

[3]崔堃鹏，夏禾，夏超逸，等.汽车撞击桥墩瞬态撞击力的等效静力计算[J].振动与冲击，2014，33（4）：48-53+69.

[4]曾祥国，朱文吉，唐光武，等.车辆撞击下桥墩动力响应与撞击力的数值分析[J].四川大学学报：工程科学版，2012，44（S2）：171-174.

[5]王鹏，李睿，姚激，徐征.车辆撞击外包混凝土防护桥墩数值模拟分析[J].中国水运：下半月，2018，18（8）：47-49.

[6]耿生春.汽车撞击桥墩损伤分析[J].天津建设科技，2017，27（2）：61-63.

[7]冯明扬，刘保东，张敏强，等.外包橡胶混凝土覆层对梁式桥墩防撞性能影响的试验研究[J].振动与冲击，2020，39（2）：269-274.

[8]LSTC. LS-DYNA. Keyword user’s manual[M]. Livermore Software Technology Corporation; 2015.

[定稿日期]2021-01-20

[基金项目]四川省科技计划资助（项目编号：2017JY0514）;国家自然科学基金（项目编号：51878564）;国家重点研发计划（项目编号：2016YFB1200401）

[作者简介]胡镕涛（2000～），男，在读本科，研究方向为桥梁工程。