雙層預應力斜拉橋箱內車輛碰撞力仿真計算方法研究

沈正峰，鄭 凈，黃 健，戈海玉

（皖西學院建筑與土木工程學院，安徽 六安237012）

隨著經濟技術的發展，雙層橋被越來越多地使用，由于其鋼桁架梁在采光等方面的優越性，運用最為廣泛。1984年，沈錦華等提出雙層預應力混凝土箱梁橋的構思，試圖利用箱內空間作為行車道的一部分來滿足日益發展的立體交通需要［1］。2005年1月9日建成通車的西灣大橋使這個愿望終成現實。西灣大橋是一座連接澳門半島與凼仔島的雙層預應力箱型梁矮塔斜拉橋，上層橋面布置雙向6車道，箱內布置兩線輕軌和兩條緊急汽車車道，橋梁總長1 825 m，主梁采用單箱單室截面，配備各類排風、照明、防火等設備設施［2］，由于箱梁是一個封閉的行車環境，存在發生交通事故的可能性，所以有必要進行防撞設計。目前對這種新型結構的箱內防撞設計還處于初步階段，相關研究大多集中在車撞護欄和船撞橋墩問題上，研究方法主要有理論研究、縮尺模型試驗、實車模型試驗。隨著有限元技術的發展，計算機仿真技術已被驗證是研究非線性碰撞問題的一種經濟、科學的方法，但是如何正確利用計算出來的結果進行結構設計尚待研究。

1 模型建立

參考國內外橋梁設計規范，根據西灣大橋箱梁截面型式和文獻［3-4］提供的箱梁截面型式進行最不利研究，不考慮腹板傾斜以及斜腋的有利作用，考慮碰撞的局部性［5］，建立20m箱梁節段模型。約束箱梁二端節點自由度，以及腹板頂面的X、Y方向自由度。根據國內外事故分析，我國規定護欄設計的碰撞角度為20°［6］，碰撞速度為設計車速的60%～80%，分別采用質量為1．976t的Chevrolet C2500皮卡和質量為0．935t的Geo Metro小型汽車，建立20°、60km／h有限元模型，研究有限元計算等效碰撞力的方法。

圖1 汽車-箱梁有限元模型

2 結果分析

汽車與箱梁碰撞的持續時間非常短，碰撞過程中，車頭發生局部變形，不光滑的碰撞面將造成箱梁瞬時應力集中現象，其屬于數據噪音，經過SAE60Hz通道濾波即可消除。圖2是卡車-箱梁模型在時間步長為6．92E-07s工況下的碰撞力-時間曲線。

圖2 皮卡碰撞力-時間曲線

從圖2知此工況下碰撞時間大于0．1s，仿真計算時程曲線峰值達到498．12KN，這時對結構的破壞是很大的，但由于其局部瞬時性，加之材料本身的瞬時抗沖擊能力會提高，其值對設計的參考意義有限。再之，文獻［7］研究表明，其值并不是固定的，它和時間步長有很大關系，但總沖量收斂于定值，且仿真計算曲線與經過SAE60Hz濾波后曲線峰值是一樣的。

鑒于以上研究結果，在工程中不能完全以有限元計算的碰撞力峰值進行設計。根據文獻［8］建議取撞擊力峰值左右各0．05s時間范圍內的平均撞擊力Fn作為局部破壞撞擊力，如果該峰值出現的時間早于0．05s，則取0～0．1s時間范圍內的平均撞擊力。由文獻［9］研究，將撞擊力簡化為半波正弦曲線，根據碰撞過程中沖量相等的原則計算等效最大沖擊力Fm，圖4是半波正弦曲線和有限元計算值的比較。本文為了考慮撞擊力曲線在峰值左右兩邊分布不對稱，提出另外一種計算等效碰撞力的方法，就是對沖量曲線進行求導，導數是從0突然變化到極大的數值，經過一段時間以后會減小為0，將沖量-時間曲線斜率較大的時間段0．1s作為計算等效最大碰撞力的有效時間，求解平均撞擊力Ft，如圖4所示。

圖3 等效半波正弦曲線與有限元計算值對比

圖4 沖量導數曲線

根據以上3種方法，計算50km／h、60km／h、70 km／h、80km／h、90km／h卡車撞擊箱梁工況下等效碰撞力Fn、Fm、Ft，并且建議修正文獻［8］計算方法為：在整個碰撞過程中，峰值出現早于0．05s，碰撞計算時間為0到（Tp＋0．05）；峰值離碰撞結束小于0．05s，碰撞計算時間為（Tp-0．05）到碰撞結束，不考慮汽車后期和腹板的摩擦滑移時間，Tp為峰值所對應的時間，以上結果和文獻［10］計算結果對比如表1所示。

表1 卡車等效最大碰撞力

由表1分析得知Fm＞Ft＞Fn，按照等效正弦曲線法計算的Fm值偏于安全，其值和文獻［10］差距最大，文獻［10］已經驗證其計算方法在初始碰撞角度為20°較為精確，Ft和Fn計算值相差很小，但是Ft應該更加偏于科學，更適用于碰撞力時程曲線在峰值分布不對稱的情況。根據以上分析，筆者認為文獻［8］計算結果對碰撞力-時間曲線分布不對稱，偏于不安全，設計時可以考慮用Ft代替。本文提出的修正方法Fs值偏大，但和導數計算出的Ft十分接近，由于導數計算方法數據處理工作量較大，可以用本文提出的修正方法代替。

文獻［8］提出對于實際碰撞時間小于0．1s情況，取實際碰撞時間。圖4是Geo Metro小型轎車在碰撞角度為20°工況下碰撞力時間曲線，碰撞時間小于0．1s，分析計算各個工況下Fm、Ft、Fn。其值如表2所示。

圖4 轎車碰撞力-時間曲線

表2 轎車等效最大碰撞力

由表2得知，本文提出的修正方法計算的Fs十分接近于文獻［10］的計算值，文獻［8］計算方法得出的Fn和Ft相等且偏小，主要是在碰撞時間小于0．1s工況下，取實際碰撞時間，導數較大的0．1s時間段不起作用，Fm計算值仍然最大。文獻［8］給出在整體位移與變形設計時可以取正弦最大撞擊力Fm進行設計，在局部沖剪作用設計時，取正弦曲線Fm附近0．1 s范圍內平均撞擊力，并乘以2．0的動力系數，偏安全設計。根據分析得知，在碰撞時間小于0．1s工況下，Ft即為局部沖剪設計值的1／2。

3 結論

1）研究表明，有限元仿真計算是一種科學、有效、經濟的計算方法，但是合理地處理計算結果能夠使其運用到工程設計中需要深思熟慮。

2）研究表明，在碰撞時間大于0．1s工況下，碰撞力-時間曲線兩邊分布較為對稱，采用文獻［8］計算方法計算，結果準確；碰撞力-時間曲線在峰值兩邊分布不對稱情況，建議采用沖量曲線導數法或者本文提出的修正方法計算，進行偏安全設計。

3）對于峰值出現時間早于0．05s，采用文獻［8］計算結果偏小，建議修正為碰撞時間出現早于0．05s，碰撞計算時間為0到（Tp＋0．05）；峰值離碰撞結束小于0．05s，碰撞計算時間為（Tp-0．05）到碰撞結束，經過修正方法計算的結果較為準確，尤其對于碰撞時間小于0．1s工況下，計算結果和文獻［10］十分接近。

4）在碰撞時間小于0．1s，不建議采用沖量導數方法計算，除非對有效碰撞時間進行修正。采用正弦曲線計算的Fm較Ft和Fn都大，但是小于Ft或Fn的2倍，一般在整體位移和變形設計中考慮。

［1］沈錦華，王永平，王素琴．雙層預應力混凝土箱梁橋的實驗研究［J］．哈爾濱建筑工程學院學報，1984（1）：95-111．

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［3］姚良云，陳燊．雙層連續箱梁橋開孔箱內壁車輛碰撞仿真研究［J］．福州大學學報，2012，40（5）：640-643．

［4］沈正峰，陳燊，涂勁松．雙層連續箱梁橋箱內壁卡車碰撞仿真研究［J］．合肥工業大學學報，2015，38（4）：525-530．

［5］黃紅武，劉正恒，鐘志華．汽車與高速公路護欄碰撞的計算機仿真［J］．機械工程學報，2003，39（11）：130-133．

［6］中華人民共和國交通部．JTGD81-2006．公路交通安全設施設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2006．

［7］郭軍，丁樺，程耿東．汽車碰撞砼護攔過程的數值模擬［J］．計算力學學報，1997，14（4）：388-392．

［8］陸新征，何水濤，黃盛楠．超高車輛撞擊橋梁上部結構研究——破壞機理、設計方法和防護對策［M］．北京：中國建筑工業出版社，2011．

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