組合網架橋在撞擊作用下的動力分析

孫乃昭 拜偉

【摘要】該文對四車位的三層組合網架公路梁橋在撞擊力作用下的動力響應問題，利用非線性有限元動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA進行了研究。通過計算機數值模擬計算，分析了該橋在不同撞擊力作用下時對組合網架的影響。結果表明：桿件開始響應的時刻比撞擊力開始作用的時刻相對滯后；破壞時構件失效的順序為：先是上弦梁、橋面板，接著是豎桿和上腹桿，上述桿件破壞后，因中層弦桿和下層桿仍為雙層網架結構，剩余的部分還具有一定的承載能力；最后的破壞模態為撞擊塊局部穿透網架并產生一定范圍的塑性大變形區域。

【關鍵詞】結構工程；沖擊動力響應；破壞模態；三層組合網架

一、計算模型

本文采用ANSYS/LS-DYNA非線性有限元動力分析程序進行沖擊動力仿真分析。模型采用四車位的正放四角錐三層組合網架梁橋，主跨36米，兩邊跨18米，共72米，其模型及網格劃分見圖1。

計算模型中，組合網架的上腹桿、下腹桿、中弦桿、下弦及豎桿的材料均為φ140×10mm的焊接鋼管，本構關系選用ANSYS/LS-DYNA中的材料Material 3，Plastic Kinematic模型，材料密度為7850kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.30，屈服強度為235MPa，屈服后強化模量為6.18GPa，斷裂失效應變為20%，桿件選用梁單元Beam 161。橋面板、網架的上弦梁、墩蓋梁及橋墩為鋼筋混凝土材料，本構關系仍使用Material 3，Plastic Kinematic模型，其材料密度為2500kg/m3，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.18，屈服強度為35MPa，屈服后強化模量為0.378GPa，斷裂失效應變設為混凝土最大受壓失效應變，即0.38 %。撞擊物為邊長2米的立方體，塊體下表面距橋面高度為4米，撞擊位置在橋面中心。施加在塊體加速度為9.8m/s2，初始速度依次為0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、…、45 m/s。塊體選用Rigid Material，密度為2500 kg/m3，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.18。采用接觸單元模擬塊體和結構體系之間的撞擊作用。

由于篇幅所限和描述方便，把整個結構分了具有代表性的4個區域（1區和2區給出了橋寬方向各桿件的數據，3區4區給出了橋長方向各桿件的數據），其編號見圖2。

二、組合網架的計算結果與分析

對組合網架梁橋在遭受不同速度的塊體撞擊時的動力響應分析后，發現組合網架梁橋的變形破壞過程有三個階段。

（一）彈性階段

當塊體的撞擊速度較小時，整個結構上的桿件均處于彈性階段，在此階段得到了節點位移響應（見表1）。

由表2可以看出：在塊體的撞擊速度相同時，橋寬方向由于沒有墩蓋梁和邊支座的支承，其上各點位移幅值均大于離沖擊點相同距離的橋長方向的各點；同一方向，隨離沖擊點的距離增加，節點位移幅值減小，但橋寬方向就不太成比例地減小，這是由于網架在此處沒有支座約束而上翹。在塊體的撞擊速度不同時，位移響應幅值隨速度增大而增加。由表3發現組合網架桿件的軸力響應有如下規律：桿件的軸力響應是從撞擊點位置（橋面中心的桿件）開始，接著逐漸向四周傳播，在同一方向上，離撞擊位置越近，桿件的軸力響應幅值越大；軸力響應較撞擊作用有所滯后，其整個傳播過程極為短暫，即從橋面中心開始響應到響應傳遍整個網架耗時僅在199.5ms內；在相同撞擊動量作用下，沿橋長方向的桿件軸力響應比橋寬方向距沖擊位置相同距離的桿件較大；在1區的桿件，以豎桿、上腹桿及下弦桿較大，其他各桿明顯較??；除1區外的其他區域，位于同一位置處的各桿件內力響應變化幅度不大。

（二）局部塑性變形階段

塊體的初速度在5m/s～15 m/s時，撞擊位置處部分桿件開始逐步進入塑性變形階段。此階段的節點位移響應如表2所示。由于篇幅有限，這里只給出初速度為5m/s和15m/s時的響應。

由計算分析的結果可以得到組合網架在局部塑性變形階段的動力響應大體與彈性階段類似，都是隨著塊體撞擊速度的增加，撞擊沖量、位移幅值和軸力幅值也隨之增大。所不同的是：該階段塊體的回彈速度有所降低；1區的部分桿件開始進入塑性階段，首先板和豎桿在撞擊沖量為631376Kg·m/s時，其等效應力同時超過其屈服強度，即板在0.51968s其等效應力峰值達到38.17MPa大于35MPa，豎桿壓應力的峰值達到244.4MPa大于235MPa。其后隨著撞擊動量的進一步增大該區及其附近區域（在橋長方向約為6個網格，橋寬方向約為3個網格）的上弦梁、橋面板、上層腹桿、豎桿和下層的桿件逐步進入塑性變形狀態?？梢娮矒糇饔玫挠绊懛秶哂芯植啃院洼椛渌p的特性。

（三）局部失效破壞階段

當塊體的初速度在16m/s以上時，1區出的桿件相繼出現失效破壞。首先是上弦梁砸斷，接著當塊體初速度增加到30m/s時，板也被砸斷（在0.11993s達到其失效應變0.0038）而豎桿和上腹桿經過屈服強化后（在0.17972s達到其失效應變0.2）也相繼失效破壞。當上述桿件斷裂后中弦桿、下腹桿和下弦桿仍可構成雙層網架結構，具有繼續承載的能力。其后隨著撞擊動量的增加1區下層桿件及其臨近區域的構件也相繼達到極限應變被拉斷，最后的破壞模態為撞擊塊局部穿透網架并產生一定范圍的塑性大變形區域。網架被穿透后仍可構成結構體系，具有一定的殘余承載力。下圖是塊體在90m/s時撞擊作用下組合網架結構的破壞圖（圖4）。

三、結論

通過對塊體撞擊作用下三層組合網架公路梁橋的動力響應分析，可得出以下幾點結論：

1） 由于橋面板的作用，上弦梁受力較小；

2） 在梁橋破壞時，各桿件失效破壞的先后次序為：上弦梁、板、豎桿、上腹桿、下腹桿和下弦桿。

由分析結果可知：在組合網架梁橋的耐撞性設計中應加大豎桿和上腹桿的壁厚及上弦梁截面。

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