基于LS-DYNA的墩柱碰撞动力响应仿真分析研究

周 澜

(中方县交通局农村公路建设事务中心,湖南 怀化 418000)

0 引 言

在山区桥梁及城市桥梁建设运营中,可能会遭受到落石及车辆撞击等情况,严重时会导致下部结构损坏,从而危及桥梁整体安全,需对墩柱碰撞效应进行相应的力学分析,明确其受力性能并针对性地提出控制措施。众多学者对于桥墩碰撞及防护措施有了颇多研究。邹毅松[1]等探究了滚石撞击下双柱式桥墩动力响应,分析得出了撞击效果受到动能、速度等因素影响;孙钦东[2]引入结构动力学理论,考虑材料、几何及接触非线性,分析了桥墩与轮船碰撞过程,表明碰撞速度对碰撞力峰值有着显著影响,同时碰撞区域外也会出现高应力情况。罗征等[3]选取了不同的尺寸的桥墩开展了不同高度的冲击试验,对于其结构损伤进行分析,明确了不同因素作用下的撞击效果。赵武超[4]基于LS-DYNA软件建立了精细化卡车数值模型,验证了数值模型合理性,并分析货物刚度、偏心撞击及速度等各参数的影响规律;周晓宇等[5]依托彻底关大桥为研究背景,建立了桩土边界作用下的桥墩模型,从剪力破坏参数等方面评估了撞击损伤程度及效果;王向阳[6]通过建立车-桥撞击有限元模型,拟合出车撞力计算公式,再结合此公式及随机参数变量,分析了碰撞之后结构的可靠度,得出混凝土强度变化影响最为显著的结论。参考现有研究成果,本文选取试验所作圆形截面钢筋混凝土墩柱进行有限元仿真分析,针对碰撞过程中撞击点材料的速度、受力以及墩顶、墩底主应力结果进行研究,得出合理的结论及建议,供广大学者参考。

1 模型基本概述

为了简化计算时间以及满足仿真精确性的需求,选取某圆形截面钢混凝土墩柱为参考建立仿真模型。撞击点距离墩底0.35 m的位置,墩柱基础尺寸为长0.8 m,宽0.8 m,高0.6 m,墩柱高1.85 m,直径为350 mm。墩柱材料选取C30强度混凝土,墩柱纵筋采用直径8 mm的HRB400热轧螺纹钢筋,箍筋为6.5 mm的HPB300热轧光圆钢筋,钢筋在相应方向均匀布置。

模型中混凝土考虑连续帽盖模型[7](MAT_CSCM_CONCRETE),此模型可以很好地反映混凝土材料撞击下的动态响应以及破坏情况,同时此模型输入参数少,操作简单便捷。钢筋材料选用的是塑性随动双线性强化模型[8](*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),屈服应力为

(1)

2 仿真计算模型建立

本文利用ANSYS/LS-DYAN软件建立墩柱撞击有限元模型,模型中墩柱底座混凝土为8节点的SOLID164实体单元,撞击体视为刚体模型[9],弹模取为E=8.95 GPa,泊松比为υ=0.3,选用LINK160单元来模拟钢筋结构。墩柱基础约束所有自由度,为了较好的模拟墩柱上部结构的作用,其顶部约束平动,放开转动约束,使其边界约束成为铰接形式。钢筋与混凝土共节点连接,不考虑之间的滑移作用。为了保证计算结果的可信度,采取调控网格大小来进行相应的密度调整,降低沙漏模式,以达到沙漏能不超过总能量的10%[10],同时在建立模型时,撞击体与墩柱之间设置微小间距,防止模型初始穿透现象的发生。

3 碰撞过程响应分析

结构碰撞是极其短暂的能量传递至消散的过程,材料受力在瞬时发生并结束,需要将此短时间内的结构受力结果提取进行连续分析。此处设定撞击体质量为3.5 t,速度为2.7 m/s,撞击时间设定为0.12 s。此处拟定撞击位置为离墩底近1/3高度位置,考虑到实际过程中沿墩柱径向撞击破坏程度最大,因此此处撞击为正面径向撞击。

3.1 撞击点处单元速度分析

现选取撞击点附近单元,从上至下编号为A～E,其速度结果如图1所示。从图1中可以看出,在撞击接触初期,撞击点处材料速度处于线性上升阶段,且各单元速度上升速率基本一致,此时材料并没有完全失效,但是曲线未完全重合,说明混凝土已经开始出现裂缝,材料单元之间的速度没有完全相同;在时间达到2.5×10-3s左右时,撞击点处单元速度达到峰值,最大接近2.7 m/s,此后曲线开始下降,撞击体离开墩柱接触面,材料单元速度减小,直至恢复静止状态。

图1 撞击处单元速度时程曲线图

3.2 撞击点背部单元应力分析

依据上述仿真计算模型,观察墩柱撞击时的受力情况,提取撞击点背面单元Von-Mises应力值,单元编号水平方向依次为A～D,将其应力-时间曲线绘制见图2所示。

图2 撞击点背面单元应力时程曲线图

根据图2应力-时间曲线分析可知。

(1)A单元受力最为显著,短时间内以“V”型突变,说明此处单元接受撞击能量最多,同时应力值瞬间下降至0,说明此时材料已完全失效,混凝土剥落。

(2)C单元属于受撞击影响最小的单元,与其他单元相比,应力变化幅度较为平缓,没有明显的突变现象,但是在0.008 s之后曲线相互变化趋势基本一致。

(3)B与D单元整体变化趋势一致,在经历上升-下降-上升阶段后,逐步达到一个平稳状态,可以看出B、D材料在接受能量后,迅速将能量再次传递出去,再通过吸收能量升至稳定状态。因此在考虑墩柱防撞措施中,不仅考虑进行墩柱加固方法,也可以通过吸能装置降低撞击破坏程度。

3.3 墩顶主应力分析

墩柱受到撞击作用时除了影响自身下部结构的损坏,同时下部受力情况直接影响到了支座的工作情况进而影响上部结构的安全性。根据材料力学中的强度准则,混凝土材料属于脆性材料,抗拉强度较小,此处提取了撞击体初始接触时的墩顶主应力云图,由图3所知,墩顶整体以受拉为主,在远离撞击侧的材料出现了压应力,考虑考虑到模型墩顶设置为铰接,限制了平动自由度,转动约束放开,说明了在撞击荷载作用下,墩顶发生了微小的转动,拉、压应力分界线明显,此转动可能会影响到支座的受力情况,需要针对支座结构进行结构分析,同时也许防范支座与墩柱的接触界面脱离的情况产生。

图3 墩顶单元主应力时程图

为了分析全过程墩顶的受力情况,依次绘制墩顶以下四个单元A～D的主应力时程曲线图,从图3中曲线可以看出距离墩顶最近的A、B单元在0.01 s左右达到压应力最大值,C单元没有较大的波动幅度,但是总体仍以受压为主;D单元为远离墩顶处,基本处于墩顶拉、压应力分界线位置;碰撞前期墩顶总体应力变幅较大,材料失效可能性增加,在后期运营过程中注意此处的保护措施。

3.4 墩底主应力分析

在墩柱受到碰撞冲击荷载后,墩底位置由于处于完全固结状态,此处荷载无法进行有效的释放,会产生较大地应力集中现象,会导致裂缝的产生,在后期渗水等不利环境因素下,引起混凝土及钢筋腐蚀情况。本文选取撞击体碰撞接触与脱离接触时间,提取碰撞过程中最大主应力结果进行分析。

结果可知,在碰撞体刚一接触墩柱的瞬间,墩底混凝土结构就表现出了撞击侧受拉,背部受压,墩柱下部以墩底为轴心进行转动,同时其拉应力数值已经超过了C30材料的强度设计值,最大达到了6.58 MPa。之后拉应力范围逐步扩大,最大数值无明显变化;对比0.012 s与0.013 s时的主应力状态,墩底撞击点背部一侧无明显变化,撞击侧以及远离墩底的位置,大部分混凝土由受拉转变为受压,说明时碰撞体已逐渐脱离墩柱表面,墩体没有进一步的转动趋势;通过分析整个碰撞过程墩底材料主应力情况,可以知道在碰撞初期墩底一侧混凝土就处于受拉状态而可能引起开裂,后期虽然混凝土重新开始受压,但是裂缝可能无法达到完全闭合状态,因此在进行墩柱防撞措施中,不仅需要针对撞击位置处进行支护,在墩底也要采取一定的防护措施,保证墩柱整体结构的安全性。

4 结 论

(1)碰撞接触初期,撞击点位置材料变形迅速,裂缝开始出现,其材料单元位移最大速度接近撞击体速度。

(2)墩柱碰撞是材料对于能量的吸收-传递-再吸收过程,部分材料会直接失效而剥落,在墩柱防护中可考虑主动吸收冲击能量来降低损伤。

(3)在碰撞作用初期,墩顶及墩底混凝土结构为撞击侧受拉,背部受压,受拉状态会导致混凝土开裂,后期墩顶仍以受拉为主,墩底恢复受压状态,但裂缝无法完全闭合,说明墩底防护要予以足够重视,进行相应的主动防护措施。