车辆撞击桥墩及防撞措施研究

2023-08-17安徽省城建设计研究总院股份有限公司安徽合肥230051

安徽建筑 2023年8期

李强（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230051）

1 引言

新中国以来，尤其是改革开放以后，我国交通事业得到了飞速发展。截至2021 年底，全国公路总里程519．81 万km，比上年末增加18．56 万km；公路密度54．15 公里/百平方公里，增加1．94 公里/百平方公里；公路养护里程514．40万km，占公路总里程99．0%。交通事业发展的同时，交通安全问题引起了社会越来越多的关注，其中便有车辆撞击桥墩的问题[1]。

2 国内外车辆撞击桥墩及防撞措施研究现状

车辆撞击桥墩的过程是一次较为复杂的非线性冲击动力学问题，只依靠理论分析很难能得出准确的结果。车桥碰撞试验是一种可以较为准确地解释这一过程的方法，但是这种试验成本较为昂贵，且在试验的过程中有一定的危险性，存在着实验过程不好操作、不可重复试验等缺点。缩尺试验虽不能与足尺试验相媲美，但其在一定程度上也能反映出车桥碰撞的机制。因此，国内外都普遍应用这一试验方法。

在国外，Abdullatif K．Zaouk[3]以及英国Arup 公司都先后进行过车桥碰撞足尺试验。实验结果表明，仿真分析在一定程度可以较为准确地反映出车桥碰撞的响应与机理[2]。

Buth 等（2011）也先后进行过两次车桥碰撞的足尺试验，试验结果表明车辆撞击桥墩时的撞击力峰值远远大于《LRFD Bridge Design Specifications》（2007）[4]中的设计值。

在国内，对车桥碰撞的研究多是采用缩尺试验、计算机仿真分析以及理论分析，对足尺试验研究极少。国内学者通过缩尺试验证明，车桥碰撞的响应时间极短，整个过程大概只有0．2s，且车辆质量越大，对桥梁的影响就越大[5-6]。国内学者通过数值模拟分析得出桥梁支座形式对撞击过程的影响较小、车辆速度及质量对撞击过程的影响较大的结论[7-8]。此外，国内学者还对钢板、泡沫铝、混凝土墩等防撞措施进行了研究[9-10]。

3 车桥碰撞的相关规范

目前，国内外在分析桥梁防撞设计问题上采用的模型均是等效静力。这种方法是将车桥碰撞时产生的动态撞击力转化为静力从而来进行桥梁设计。显然这种方法是不够准确的，首先车桥碰撞是一个动态过程，其次忽略了材料应变率带来的影响。

在《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中有以下规定，在车辆行驶方向，汽车撞击力设计值应取1000kN，在车辆行驶垂直方向，汽车撞击力设计值应取500kN，不考虑两个方向撞击力的同时作用。撞击力位于行车道以上1．2m处。

《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）中对汽车撞击力有以下规定，在顺行车方向，撞击力应采用1000kN，在横行车方向，撞击力应采用500kN，不同时考虑两个等效力的作用，撞击力位于行车道以上1．20m处。

欧洲统一规范BS EN 1991-1-7（2006）和BS EN 1991-2（2003）对作用在桥墩上的车辆撞击力作出了以下规定：车辆撞击桥墩的撞击力是等效静态设计值，该等效值需综合考虑碰撞角度、车速、车的质量等因素；根据道路等级、车辆类型对设计值的大小进行划分；对撞击力的高度、撞击区域进行了规定。规范中规定，高速公路、国道和主干道在平行于车行道方向时，车辆撞击力设计值为1000kN，而在垂直于车行道方向时，车辆撞击力设计值为500kN；郊区道路，平行于车行道方向和垂直于车行道方向对应的撞击力设计值分别是750kN和375kN。撞击力作用在地面以上1．25m处，作用区域高0．5m，宽1．5m。

美国AASHTO《桥梁设计规范》（2017）中对车辆撞击力设计值、撞击角度、撞击高度数据的有关规定来源于80kip（36t）拖挂车以约50mile/h（80km/h）的速度撞击桥墩的足尺试验。车辆撞击力为600kip（2668．8kN）；撞击方向与行车方向夹角为0～15°；撞击高度为地面以上5ft（1524mm）；撞击的区域为1524mm（5ft）宽，610mm（2ft）高。

表1 为中、美、英在桥梁设计时对撞击力的规范要求。

表1 规范中对撞击力的要求

4 中型车-桥碰撞的模拟分析

本次桥梁模型采用的是城市高架桥中常用的双柱式梁桥，桥墩形状为圆柱式，直径为1．5m，桥墩高为7．0m，双墩中心间距为5．3m，上部结构为单箱双室箱梁。

图1 桥梁模型

车辆模型采用的是具有代表性的中型车辆，质量为10t。

图2 车辆模型

在本文计算分析中，接触方式定义车桥为自动接触，桥墩与地面的约束形式为固定约束。车桥碰撞动摩擦系数定义为0．2，静摩擦系数定义为0．3。

根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2006）中对高速公路碰撞事故的调查，车辆碰撞角度多集中在15～20°，根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）中的刚性护栏碰撞试验，其设计的碰撞角度为20°，所以本文车桥碰撞角度定为20°。

在研究车桥碰撞问题中，撞击力是反映桥墩受力的重要指标，图3为以上5种工况的撞击力时程曲线。

图3 不同工况下的撞击力时程曲线图

根据图3 模拟分析结果，首先不难发现，当车辆的速度越高时，所产生的撞击力峰值随之越大，这是因为速度越大，撞击能量就越大；其次可以发现当速度变大时，撞击力峰值的发生也在提前，这是由于车速变大导致发动机与桥墩提前相撞；最后可以发现整个撞击过程持续的时间极短，只有0．2s左右。

从图3 模拟分析结果可以看到，当撞击速度为80km/h 和100km/h 时，撞击力峰值分别为2800kN和5400kN。

5 重型车-桥碰撞的模拟分析

除本章节采用的20t 重型车辆模型（通过在车厢里添加10t 货物使其达到重型车辆的标准）而前文中用的是10t中型车辆模型之外，其他与前文中型车-桥碰撞分析采用的模型一样。

在研究车桥碰撞问题中，撞击力是反映桥墩受力的重要指标，图4为以上5种工况的撞击力时程曲线。

图4 不同工况下的撞击力时程曲线图

根据图4 模拟分析结果发现，当车辆的速度越高时，所产生的撞击力峰值随之越大，这是因为速度越大，撞击能量就越大；其次可以发现当速度变大时，撞击力峰值的发生也在提前，这是由于车速变大时导致发动机与桥墩提前相撞；最后可以发现整个撞击过程持续的时间极短，只有0．2s左右。

从图4 模拟分析结果可以看到，当撞击速度为80km/h 和100km/h 时，撞击力峰值分别为2900kN和5800kN。

结合前文来看，当撞击速度为80km/h 时，中型车和重型车的撞击力峰值分别为2800kN 和2900kN；当撞击速度为100km/h 时，中型车和重型车的撞击力峰值分别为5400kN 和5800kN。虽说车辆质量相差10t，但相同撞击速度下产生的撞击力峰值却相差很小。这和我们的认知不符，出现这种现象是因为产生了撞击力峰值，是车辆发动机与桥墩发生碰撞，因本次模拟采用的中型车和中型车均采用同一个车辆模型，便解释了发生这种现象的原因。

表2 中型车以不同速度撞击桥墩时的工况

表3 重型车以不同速度撞击桥墩时的工况

结合前文发现，当撞击速度为100km/h 时，重型车撞击产生的次峰值远比中型车撞击产生的次峰值大，这是因为当车辆发动机与桥墩发生碰撞产生撞击力峰值后，车辆没有立刻停下而是继续向前运动，随后车厢里的货物再次与桥墩发生碰撞，产生撞击力次峰值，20t 的重型车里的货物远比10t 的中型车里的货物多，所以产生的撞击力次峰值也就远比中型车大。因此，货物的刚度越大，撞击力次峰值越大。

以上两种车型，当撞击速度为80km/h和100km/h时，撞击力峰值远远高出《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）中1000kN的规范值。但是撞击力峰值只发生在一瞬间，如果把撞击力峰值作为桥梁防撞的设计值，显然不合理。

6 桥墩防撞措施的模拟分析

本文对“泡沫铝+钢板”“混凝土+钢板”这两种防撞组合措施进行了研究。

本次工况模拟采用车辆质量为20t，桥梁模型为上文中的桥梁模型，本次模拟分析在上文中的桥梁模型中分别加入了这两种防撞组合措施，具体数据见表4、表5。

表4 撞击防撞措施一工况设计

表5 撞击防撞措施二工况设计

在研究车桥碰撞问题中，撞击力是反映桥墩受力的重要指标，图5、图6 为以上10种工况的撞击力时程曲线。

图5 不同工况下防撞设施一撞击力时程曲线图

图6 不同工况下防撞设施二撞击力时程曲线图

通过以上两种防撞组合措施的模拟结果和前文章节进行对比，可以看出：对于“泡沫铝+钢板”防撞组合措施下的5种工况，分别对应着960kN、1060kN、1350kN、2260kN、2510kN 的撞击力峰值；对于“混凝土+钢板”防撞组合措施下的5 种工况，分别对应着990kN、1080kN、1520kN、2870kN、4400kN 的撞击力峰值；而对于无防撞措施下的5种工况，分别对应着1050kN、1230kN、1720kN、2900kN、5800kN 的撞击力峰值。因此，防撞组合措施一的效果比防撞组合措施二显著。