快速更换式防落物墙防撞性能分析

刘诗文 许三平 郗宏庆

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中铁建大桥设计研究院，湖北 武汉 430063；3.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室，湖北 武汉 430063）

0 引言

公路与市政桥梁上跨公路、铁路等重要构筑物时，为避免对其下建筑的运营安全造成影响，需设置有效的防落物设施［1］。常见的防落物设施为防落物网，防落物网通常采用钢丝网加钢立柱结构形式，具有自重较轻、通透性好、美观协调等优点，但因网状结构刚度不足，无法承受车辆碰撞、货物侧翻等冲击。尤其对于上跨高速铁路、繁忙干线铁路的桥梁，为避免冲击性物体冲破防落物网造成重大安全事故和财产损失，需要一种刚度大、抗冲击的新型防落物结构。同时为降低防落物结构保养维护过程中对其下建筑物的影响，需要具备快速安拆的特性。

目前，国内外有关跨线桥防落物结构技术研究相对较少，而对护栏的防撞性能研究较多。2016年，韩海峰等[2]设计了一款新型SS级梁柱式钢护栏，通过碰撞仿真模拟及实车足尺寸试验验证其防撞性能。2020年，甘新众[3]等通过有限元碰撞分析结合正交试验研究确定了半挂车撞击护栏时的等效整体车辆模型。2021年，唐俊义［4］等提出一种便于施工和维护的新型装配式桥梁人-车隔离防撞护栏，通过有限元分析验证其防撞性能优于传统护栏。

本文参照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）及护栏防撞相关研究成果[5]，设计出一种可快速更换式防落物墙，通过建立坠落物-防落物墙有限元模型分析典型碰撞情形和非线性碰撞全过程，阐述防落物墙结构在落物作用下的结构响应和操作演化模式，以检验本结构的防坠落抗冲击性能。

1 结构设计

图1为快速更换式防落物墙总体示意图，由预埋件和墙式钢结构两部分组成，在混凝土防撞护栏顶部设置预埋件，将预制的墙式钢结构吊装，通过手孔采用螺栓与预埋件进行连接。钢结构防护件高1.60m，单片长2.00m，顶部宽0.23m，迎撞钢板厚10mm，在迎撞面钢板之间设置8mm厚竖向加劲肋，墙式钢结构底部前后交替设置螺栓群，每组螺栓群采用16个M18螺栓与基础预埋件连接；基础预埋钢板上部焊接螺栓连接板，下部设置直径20mm钢筋锚固于防撞墙混凝土内（见图2）。

图1 防落物墙装置总体示意图

图2 防落物墙装置正立面图

2 落物碰撞仿真模拟及验证

2.1 碰撞情形分析

2.1.1 撞击物选择

根据《汽车运价规则》公路运输的货物类别分为普通货物和特种货物两种。特种货物分为大型特型笨重物件、危险货物、贵重货物、鲜活货物四类，这些货物对运输、装卸、保管有特殊要求，运次相对较少且重视程度较高，事故发生概率较小，且如若发生事故一般为大型事故，已不在防落物墙防护能力。故撞击物按照普通货物进行选择，撞击物汇总见表1、图3。

表1 碰撞物汇总表

图3 碰撞物品示意图

2.1.2 碰撞条件分析

根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）的要求，规定防护代码SS的护栏对应防护等级为六级。实车碰撞，其防护等级为六的碰撞条件应符合表2的规定。

表2 护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏的试验碰撞条件

2.1.3 撞击高度分析

规范《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）对货车及其配重货物的主要技术参数要求如表3所示。根据表中数据可知配载货物的重心最高为2112mm，即货车与护栏撞击后，落物飞出时重心的最高高度为2112mm。

表3 货车主要技术参数要求

2.2 碰撞分析工况

根据前文的落物类型和碰撞情形研究，拟定如下4个碰撞工况(表4、图4）。

表4 碰撞工况汇总表

图4 碰撞工况示意图

2.3 碰撞仿真分析

落物对防落物墙装置的碰撞分析采用动力数值模拟方法进行仿真计算，分别建立相应的防落物墙装置-落物的精细有限元模型，采用LS-DYNA软件的单精度求解器进行碰撞仿真分析，给出各计算工况中的撞击物速度、撞击力、防落物墙装置内力响应等动态时程结果，并对其进行总结及分析。

防落物墙装置的防撞护栏材料为C40混凝土，密度ρ=2500 kg/m3，弹性模量E=3.25×104MPa，泊松比ν=0.2，采用六面体实体单元，单元边长20mm；防落物墙装置的钢结构防护件主要材料为Q235钢材，密度ρ=7850kg/m3，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，采用四边形壳单元，单元边长20mm。每节段防落物墙装置的模型共有181678个单元，其中28567个壳单元、153111个实体单元，有限元模型如图5所示。

图5 各开挖步下地表沉降曲线

图5 防落物墙装置有限元模型

工况1落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞击防落物墙装置，其中垂直于撞击面方向速度为5.70m/s，图6（a）所示碰撞后垂直于撞击面方向速度降为-2.60m/s，即落物1碰撞防落物墙装置后，远离防落物墙装置落下。图6（b）所示为碰撞工况1的每延米撞击力时程曲线，可以看出撞击力最大为268.10kN；由图6（c）所知，落物撞击防落物墙装置时墙体底部钢板螺栓承受每延米最大剪力为550kN。

图6 工况1时程曲线

工况2落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞击防落物墙装置，其中垂直于撞击面方向速度为5.70m/s，图7（a）所示碰撞后垂直于撞击面方向速度降为-1.40m/s，即落物2碰撞防落物墙装置后，远离防落物墙装置落下。图7（b）为碰撞工况2的每延米撞击力时程曲线，可以看出撞击力最大为268.80kN；由图7（c）所知，落物撞击防落物墙装置时墙体底部钢板螺栓承受每延米最大剪力为417kN。

图7 工况2时程曲线

工况3落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞击防落物墙装置，其中垂直于撞击面方向速度为5.70m/s，图8（a）所示钢管形落物前端碰撞后垂直于撞击面方向速度降为-1.80m/s，即多个钢管形落物碰撞防落物墙装置后，远离防落物墙装置落下。图8（b）所示为碰撞工况3的每延米撞击力时程曲线，钢管形落物前端碰撞后，撞击力为95.60kN，后端碰撞后撞击力最大为166.00kN；由图8（c）所知，落物撞击防落物墙装置时墙体底部钢板螺栓承受每延米最大剪力为356kN。

图8 工况3时程曲线

工况4落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞击防落物墙装置，其中垂直于撞击面方向速度为5.70m/s，图9（a）所示钢管形落物碰撞后垂直于撞击面方向速度降为-1.90m/s，即工况4落物碰撞防落物墙装置后，远离防落物墙装置落下。图9（b）所示为碰撞工况4的每延米撞击力时程曲线，钢管形落物前端碰撞后，撞击力为98.65kN，后端碰撞后撞击力最大为132.90kN；图9（c）所示，落物撞击防落物墙装置时墙体底部钢板螺栓承受每延米最大剪力为176kN，抗冲击性能评估见表5。

表5 各工况下抗冲击性能评估

图9 工况4时程曲线

2.4 试验验证

使用人工激励法激发钢结构防落物墙的振动，确定试验项目的固有频率、模态开关、动态响应等参数，从而宏观上判断钢结构防落物墙的整体刚度和运行性能。

为了尽可能充分地捕捉到钢结构防落物墙在动态激励下的响应，本试验主要布置6组试验工况，即在钢结构防落物墙1/2高度以上的6个不同挂钩区域分别激励（如图10所示），采集相关信号。钢结构防落物墙振动测试传感器的布局根据结构形式确定。根据理论计算得出的振动模型的近似形状，将传感器布置在位移较大的位置，以测量结构的最大响应。各工况下钢结构防落物墙装置现场试验结果如表6所示。通过对测得的动力响应信号进行分析，对比有限元分析所得结论如下：

表6 现场试验结果

图10 防落物墙装置现场试验照片

（1）钢结构防落物墙装置的自振频率为26.8Hz～29.7Hz，有限元计算一阶自振频率均为24.0Hz，表明钢结构防落物墙装置的自振频率在整体刚度上略高于理论值，满足要求。

（2）在试验过程中，钢结构防落物墙装置各结构反应平稳，未出现异常情况。

3 防落物墙力学性能评估

为确保防落物墙螺栓连接与基础预埋件在冲击力作用下不致破坏倾覆，螺栓连接处承载力需大于碰撞过程中最大剪力。此外，螺栓连接作为基础预埋件的能力保护构件，其承载力需小于基础预埋件承载力。

《公路钢结构桥梁设计规范》6.3.9条[6]计算连接螺栓处受剪承载力：

式中：

n v——受剪面数，本结构取1，考虑仅有一面有拼接板，采用0.9折减系数；

d——螺栓杆直径；

——螺栓抗剪强度设计值。

根据上文研究，防落物墙在螺栓连接处最大剪力为550kN，小于螺栓受剪承载力604kN，螺栓连接承载能力满足要求。

按《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）9.7.2条[7]计算所需锚筋总截面面积不小于As1和As2的较大值：

式中：

V——剪力设计值，取表5中最大撞击力268.8kN；

N——法向力设计值，取0；

M——弯矩设计值，取螺栓连接最大剪力604kN与内外侧钢板间距0.15m的乘积，即90.6kNm；

αr——锚筋层数影响系数，本结构为两层，取1.0；

αv——锚 筋 受 剪 承 载 力 系 数，

αb——锚板的弯曲变形折减系数，锚板厚度t=24mm；

fy——锚筋的抗拉强度设计值，取360MPa；

z——沿剪力作用方向最外层锚筋线之间的距离，取150mm。

锚筋采用直径20mm，顺桥向间距125mm，横向间距150mm，总面积为5024mm2，大于计算所需锚筋总面积4660mm2。即预埋件承载力大于防落物墙连接处承载力，可保证基础预埋件不致损坏。

4 结束语

（1）防落物墙体与基础采用螺栓连接，施工人员在桥面即可施拧螺栓，便于安装与养护维修；螺栓连接抗剪承载力大于四种落物撞击产生的最大剪力，说明该防落物墙装置耐冲击性能较为出色。

（2）根据计算，基础预埋件的承载能力大于螺栓连接承载能力，即防落物墙装置遭遇撞击后螺栓连接位置先于预埋件破坏，保证了防落物墙装置的可维修性。

（3）有限元计算结果中，选取的四种落物撞向防落物墙装置后，速度横桥向分量均朝向桥梁内侧，体现出防落物墙装置较好的防落物能力。

（4）采用人工激励法对钢结构防落物墙装置进行现场检测，实测自振频率略大于有限元计算的自振频率，说明有限元计算选取的材料参数、边界条件科学合理。