混凝土防護方式對人行天橋車撞動力響應的影響分析

胡镕濤　王垚蓓　邵俊虎　張義正　陳小平

【摘 要】近年來不斷增多的車撞橋交通事故，對橋墩結構的工作狀態和使用壽命造成了嚴重影響，橋墩的防護措施成為了橋墩設計中的重要一環。文章分析了不同的混凝土防護方式對人行天橋橋墩動力響應的影響。采用有限元軟件，建立了四種不同混凝土布置方式的橋墩有限元模型，并進行了車撞橋數值模擬，得到了車輛撞擊橋墩時的撞擊力、橋墩應力、橋墩頂部以及局部變形。研究結果表明：（1）外包混凝土防護與內填混凝土防護都可以減小橋墩鋼管應力大小;（2）外包混凝土防護與內填混凝土防護都可以減小橋墩鋼管的局部變形和頂部變形;（3）不同的混凝土防護方式對撞擊力第一峰值影響都較小，外包混凝土的防護方式會減小撞擊力第二峰值。

【關鍵詞】車撞橋; 有限元; 混凝土防護; 撞擊力; 動力響應

【中圖分類號】U443.26【文獻標志碼】A

近年來，車撞橋墩事故不斷增多，其中大型車輛撞擊橋墩可能導致橋梁發生明顯開裂、垮塌，對橋墩結構與人身安全都造成嚴重影響。小型車撞擊橋墩后，車輛變形較大，損傷明顯，橋墩雖然變形較小，但其結構的工作狀態和使用壽命仍會受到一定程度的影響。2019年5月15號，104國道東郭段上跨甬金高速，東郭立交橋下，側翻的一輛集裝箱車撞擊到橋墩，導致104國道東郭立交橋立柱多處開裂，見圖1。2020年1月20日清晨7時左右，鄭州一輛網約車出車時突然失控撞上隴海路立交橋下水泥墩，橋墩無明顯變形損傷，見圖2。

陸勇和曹立波[1]運用有限元軟件LS-DYNA和MADYMO模擬車輛與墩柱的碰撞。通過對比數值模擬結果與所采集到的事故數據，得出了實際的撞擊事故能通過有限元仿真技術較好地反映。程海根和鄒江娜[2]采用LS-DYNA有限元軟件分析車輛與橋墩的碰撞，研究碰撞發生時撞擊角度對橋梁的影響。崔堃鵬等[3]采用LS-DYNA有限元軟件，分析了Ford卡車以不同速度撞擊橋墩的撞擊力特性。曾詳國等[4]采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，分析了不同撞擊速度下橋墩的動力響應，獲得了動態撞擊力時程曲線，同時計算了撞擊力評價指標，并與美國、歐洲、中國的橋梁設計規范作比較。王鵬[5]基于ANSYS有限元分析軟件，研究了不同車輛質量、撞擊速度、撞擊角度對有無外包混凝土防護橋墩的動力響應的影響。耿春生等[6]采用ABAQUS有限元軟件，研究了不同車輛質量、撞擊速度對沖擊力、混凝土應力、混凝土損傷程度的影響。馮明楊等[7]利用擺錘撞擊模型墩柱試驗，研究了橡膠混凝土覆層對模型墩柱的自振特性、不同撞擊速度下的撞擊響應峰值及振動衰減規律的影響。

綜上所述，在車輛撞擊橋墩的研究中，多是通過改變車輛模型、橋墩尺寸、增加防護裝置、改變防護材料等方式研究車橋碰撞的動力響應，少有探究不同混凝土防護方式對車橋碰撞的動力響應的影響。基于以上分析，本文分析了不同混凝土防護方式對橋墩保護的有效性，基于LS-DYNA有限元軟件建立了車撞橋的有限元模型，并得到了橋墩的動力響應，通過對比橋墩的應力變化、橋墩變形、撞擊力變化，得出了較優的混凝土防護方式。旨在對今后的橋墩防撞的設計提供一定參考作用。

1 車橋碰撞有限元模型

有限元模型中，車輛原型為福特金牛（Taurus-V02），該模型為美國國家碰撞中心（NationalCrashAnalysisCenter， NCAC）開發的車輛模型。撞擊質量為1.37 t，撞擊速度為50 km/h。車輛輪胎、座位的連接部位采用*MAT_RIGID材料，車輛外殼采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料，鋼管均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[8]動力塑性材料;鋼管防護采用C30混凝土，有限元軟件中均采用*MAT_ELASTIC[8]材料，混凝土材料與鋼管材料參數，見表1。本文將橋墩底部單元與地面固結，約束橋墩底部節點X、Y、Z 3個方向的平動自由度。由于車撞橋過程中，主要關注部位為橋墩，因此，本文僅僅建立了橋墩的有限元模型，忽略上部結構的影響，有限元模型見圖3。

2 混凝土防護方式對人行天橋車撞動力響應的影響分析

2.1 數值仿真工況

經仿真碰撞模擬后得出，碰撞過程在0.15 s內結束，故工況模擬的計算時長設為0.15 s。設置四種計算工況，見表2。四種橋墩模型見圖4，模型A為空心鋼管橋墩，沒有外包、內填任何混凝土。橋墩模型B在模型A基礎上僅內填一定高度混凝土。橋墩模型C在模型A基礎上僅外包一定高度混凝土。橋墩模型D在模型A基礎上外包一定高度混凝土的同時內填一定高度混凝土。

2.2 能量轉化

本文以工況4，車輛撞擊橋墩模型D為例，得到的能量轉化圖，見圖5。總能量由動能、內能、沙漏能、滑移能組成。在碰撞最開始，總能量為初始動能。隨著車輛與橋墩開始碰撞，動能逐漸減小，內能逐漸增大，沙漏能和滑移能小幅度增加。其中大部分能量由動能轉換為內能。在碰撞后總能量有微小下降，這是有限元軟件的誤差造成的，碰撞結束后沙漏能小于總能量的5 %，計算結果是可靠的。

2.3 車輛及橋墩的動力響應與最優防護方式

2.3.1 撞擊力

車輛撞擊力峰值是車輛撞擊后變形情況的直接反應，也是衡量橋墩破壞程度的一個重要指標。本節提取四種工況下車輛撞擊橋墩的撞擊力時程，見圖6。

四種工況下，隨著碰撞過程的持續，撞擊力均先增大至第一次撞擊力峰值，第一峰值發生在車頭前的保險杠撞擊受壓時，然后撞擊力先減小再上升，達到第二次撞擊力峰值，第二峰值發生在發動機受壓時。由于車輛動能不斷減少，撞擊力逐漸減小為0。

四種工況下，撞擊力第一峰值均發生在0.048 s，最大撞擊力為在0.47 MN左右，變化微小。撞擊力第二峰值均發生在0.077 s，峰值有較大變化，其中工況2的第二峰值最高，達到了0.433 MN，其次為工況1，第二峰值最大值為0.393 MN，工況3、工況4的第二峰值最低，均為0.355 MN。

綜上可知，僅設置外包混凝土防護與既設置外包混凝土防護又設置內填混凝土防護都可以有效減小撞擊力第二峰值。而僅設置內填混凝土防護會增大第二撞擊力。混凝土防護方式的不同對撞擊力第一峰值大小基本無影響、對撞擊作用時間基本無影響。

2.3.2 橋墩應力分析

本節提取四種工況下鋼管所受最大應力時刻的Misses應力云圖，見圖7。

工況1在沒有混凝土的防護的情況下，鋼管所受應力在0.045 s達到了最大值358.9 MPa。工況2在有內填混凝土的情況下，鋼管所受應力在0.075 s達到最大值55.65 MPa，相對工況1減少了6.45倍。工況3在有外包混凝土的情況下，鋼管所受應力在0.045 s達到最大值63.37 MPa，相對工況1減小了5.4倍。工況4在既有外包混凝土又有內填混凝土情況下，鋼管所受應力在0.075 s達到最大值7.261 MPa，相對工況1減小了49.4倍。

綜上可知，對沒有任何混凝土防護的鋼管橋墩，設置外包混凝土防護、內填混凝土防護都可以有效地減小鋼管所受到的應力，且設置內填混凝土防護的效果與僅設置外包混凝土防護的效果相當。既設置外包混凝土防護又設置內填混凝土防護的效果最好。

2.3.3 橋墩頂部與局部變形深度

本節提取四種工況下，橋墩頂部與局部的變形見圖8、圖9。

工況1中鋼管的局部撞擊點最大變形為1.35 mm，鋼管頂部最大變形為3.94 mm。工況2中鋼管局部最大變形為0.05 mm，頂部最大變形為0.58 mm，相對工況1鋼管變形分別減少了27倍與6.8倍。工況3中鋼管的局部最大變形為0.179 mm，頂部最大變形為1.18 mm，相對工況1鋼管變形分別減少了7.5倍與3.33倍。工況4中鋼管局部最大變形為0.019 mm，鋼管頂部最大變形為0.28 mm，相對工況1鋼管變形分別減少了71倍與14倍。

綜上可知，對沒有任何混凝土防護的鋼管橋墩，設置外包混凝土防護、內填混凝土防護均可以減小鋼管的頂部和局部變形。僅設置內填混凝土防護方式比僅設置外包混凝土的防護方式對鋼管變形的保護效果更好。既設置外包混凝土又設置內填混凝土的防護方式對鋼管起到的保護效果最好。

2.3.4 不同防護方式的效果

綜上可知，不同的混凝土防護方式對橋墩的保護程度不同，既設置外包混凝土防護又設置內填混凝土防護的效果在各方面的效果均最優，見表3。同時，僅內填混凝土防護會增大撞擊力第二峰值，且在碰撞過后，內填混凝土難以修復，而外包混凝土不僅不會增大撞擊力第二峰值，而且在實際生活中也更易修復、易更換、更經濟實惠。綜上所述，既外包又內填的混凝土防護方式可以最高效地保護橋墩。同時，綜合各方面因素，在實際生活中，也可以使用僅外包混凝土的防護方式。

3 結論

本文基于LS-DYNA有限元軟件建立了車撞橋有限元模型，并分析了四種不同混凝土布置方式對車撞橋的動力響應的影響，同時得出了其中較優的混凝土防護方式，結論如下：

（1）僅外包混凝土防護與同時設置兩種混凝土防護均可以減小撞擊力第二次峰值，但對第一次峰值幾乎無影響，對撞擊力作用時間幾乎無影響。

（2）外包混凝土防護與內填混凝土防護均可有效的減小橋墩鋼管所受到的應力。同時設置兩種混凝土防護效果最好。

（3）外包混凝土防護與內填混凝土防護均可減小橋墩鋼管的局部變形和頂部變形，且僅內填混凝土防護比僅外包混凝土防護的效果更好，同時設置兩種混凝土防護效果最好。

參考文獻

[1]陸勇，曹立波.對汽車撞柱的仿真研究[J].農業裝備與車輛工程，2006（1）：28-31.

[2]程海根，鄒江娜.用LS-DYNA仿真車-橋墩碰撞時角度對橋梁的影響[J].華東交通大學學報，2013，30（6）：19-24.

[3]崔堃鵬，夏禾，夏超逸，等.汽車撞擊橋墩瞬態撞擊力的等效靜力計算[J].振動與沖擊，2014，33（4）：48-53+69.

[4]曾祥國，朱文吉，唐光武，等.車輛撞擊下橋墩動力響應與撞擊力的數值分析[J].四川大學學報：工程科學版，2012，44（S2）：171-174.

[5]王鵬，李睿，姚激，徐征.車輛撞擊外包混凝土防護橋墩數值模擬分析[J].中國水運：下半月，2018，18（8）：47-49.

[6]耿生春.汽車撞擊橋墩損傷分析[J].天津建設科技，2017，27（2）：61-63.

[7]馮明揚，劉保東，張敏強，等.外包橡膠混凝土覆層對梁式橋墩防撞性能影響的試驗研究[J].振動與沖擊，2020，39（2）：269-274.

[8]LSTC. LS-DYNA. Keyword user’s manual[M]. Livermore Software Technology Corporation; 2015.

[定稿日期]2021-01-20

[基金項目]四川省科技計劃資助（項目編號：2017JY0514）;國家自然科學基金（項目編號：51878564）;國家重點研發計劃（項目編號：2016YFB1200401）

[作者簡介]胡镕濤（2000～），男，在讀本科，研究方向為橋梁工程。