快速更換式防落物墻防撞性能分析

劉詩文 許三平 郗宏慶

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.中鐵建大橋設計研究院，湖北 武漢 430063；3.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室，湖北 武漢 430063）

0 引言

公路與市政橋梁上跨公路、鐵路等重要構筑物時，為避免對其下建筑的運營安全造成影響，需設置有效的防落物設施［1］。常見的防落物設施為防落物網，防落物網通常采用鋼絲網加鋼立柱結構形式，具有自重較輕、通透性好、美觀協調等優點，但因網狀結構剛度不足，無法承受車輛碰撞、貨物側翻等沖擊。尤其對于上跨高速鐵路、繁忙干線鐵路的橋梁，為避免沖擊性物體沖破防落物網造成重大安全事故和財產損失，需要一種剛度大、抗沖擊的新型防落物結構。同時為降低防落物結構保養維護過程中對其下建筑物的影響，需要具備快速安拆的特性。

目前，國內外有關跨線橋防落物結構技術研究相對較少，而對護欄的防撞性能研究較多。2016年，韓海峰等[2]設計了一款新型SS級梁柱式鋼護欄，通過碰撞仿真模擬及實車足尺寸試驗驗證其防撞性能。2020年，甘新眾[3]等通過有限元碰撞分析結合正交試驗研究確定了半掛車撞擊護欄時的等效整體車輛模型。2021年，唐俊義［4］等提出一種便于施工和維護的新型裝配式橋梁人-車隔離防撞護欄，通過有限元分析驗證其防撞性能優于傳統護欄。

本文參照《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）及護欄防撞相關研究成果[5]，設計出一種可快速更換式防落物墻，通過建立墜落物-防落物墻有限元模型分析典型碰撞情形和非線性碰撞全過程，闡述防落物墻結構在落物作用下的結構響應和操作演化模式，以檢驗本結構的防墜落抗沖擊性能。

1 結構設計

圖1為快速更換式防落物墻總體示意圖，由預埋件和墻式鋼結構兩部分組成，在混凝土防撞護欄頂部設置預埋件，將預制的墻式鋼結構吊裝，通過手孔采用螺栓與預埋件進行連接。鋼結構防護件高1.60m，單片長2.00m，頂部寬0.23m，迎撞鋼板厚10mm，在迎撞面鋼板之間設置8mm厚豎向加勁肋，墻式鋼結構底部前后交替設置螺栓群，每組螺栓群采用16個M18螺栓與基礎預埋件連接；基礎預埋鋼板上部焊接螺栓連接板，下部設置直徑20mm鋼筋錨固于防撞墻混凝土內（見圖2）。

圖1 防落物墻裝置總體示意圖

圖2 防落物墻裝置正立面圖

2 落物碰撞仿真模擬及驗證

2.1 碰撞情形分析

2.1.1 撞擊物選擇

根據《汽車運價規則》公路運輸的貨物類別分為普通貨物和特種貨物兩種。特種貨物分為大型特型笨重物件、危險貨物、貴重貨物、鮮活貨物四類，這些貨物對運輸、裝卸、保管有特殊要求，運次相對較少且重視程度較高，事故發生概率較小，且如若發生事故一般為大型事故，已不在防落物墻防護能力。故撞擊物按照普通貨物進行選擇，撞擊物匯總見表1、圖3。

表1 碰撞物匯總表

圖3 碰撞物品示意圖

2.1.2 碰撞條件分析

根據《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）的要求，規定防護代碼SS的護欄對應防護等級為六級。實車碰撞，其防護等級為六的碰撞條件應符合表2的規定。

表2 護欄標準段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄的試驗碰撞條件

2.1.3 撞擊高度分析

規范《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）對貨車及其配重貨物的主要技術參數要求如表3所示。根據表中數據可知配載貨物的重心最高為2112mm，即貨車與護欄撞擊后，落物飛出時重心的最高高度為2112mm。

表3 貨車主要技術參數要求

2.2 碰撞分析工況

根據前文的落物類型和碰撞情形研究，擬定如下4個碰撞工況(表4、圖4）。

表4 碰撞工況匯總表

圖4 碰撞工況示意圖

2.3 碰撞仿真分析

落物對防落物墻裝置的碰撞分析采用動力數值模擬方法進行仿真計算，分別建立相應的防落物墻裝置-落物的精細有限元模型，采用LS-DYNA軟件的單精度求解器進行碰撞仿真分析，給出各計算工況中的撞擊物速度、撞擊力、防落物墻裝置內力響應等動態時程結果，并對其進行總結及分析。

防落物墻裝置的防撞護欄材料為C40混凝土，密度ρ=2500 kg/m3，彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比ν=0.2，采用六面體實體單元，單元邊長20mm；防落物墻裝置的鋼結構防護件主要材料為Q235鋼材，密度ρ=7850kg/m3，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，采用四邊形殼單元，單元邊長20mm。每節段防落物墻裝置的模型共有181678個單元，其中28567個殼單元、153111個實體單元，有限元模型如圖5所示。

圖5 各開挖步下地表沉降曲線

圖5 防落物墻裝置有限元模型

工況1落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖6（a）所示碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-2.60m/s，即落物1碰撞防落物墻裝置后，遠離防落物墻裝置落下。圖6（b）所示為碰撞工況1的每延米撞擊力時程曲線，可以看出撞擊力最大為268.10kN；由圖6（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為550kN。

圖6 工況1時程曲線

工況2落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖7（a）所示碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.40m/s，即落物2碰撞防落物墻裝置后，遠離防落物墻裝置落下。圖7（b）為碰撞工況2的每延米撞擊力時程曲線，可以看出撞擊力最大為268.80kN；由圖7（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為417kN。

圖7 工況2時程曲線

工況3落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖8（a）所示鋼管形落物前端碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.80m/s，即多個鋼管形落物碰撞防落物墻裝置后，遠離防落物墻裝置落下。圖8（b）所示為碰撞工況3的每延米撞擊力時程曲線，鋼管形落物前端碰撞后，撞擊力為95.60kN，后端碰撞后撞擊力最大為166.00kN；由圖8（c）所知，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為356kN。

圖8 工況3時程曲線

工況4落物以速度16.67m/s（60km/h）的速度撞擊防落物墻裝置，其中垂直于撞擊面方向速度為5.70m/s，圖9（a）所示鋼管形落物碰撞后垂直于撞擊面方向速度降為-1.90m/s，即工況4落物碰撞防落物墻裝置后，遠離防落物墻裝置落下。圖9（b）所示為碰撞工況4的每延米撞擊力時程曲線，鋼管形落物前端碰撞后，撞擊力為98.65kN，后端碰撞后撞擊力最大為132.90kN；圖9（c）所示，落物撞擊防落物墻裝置時墻體底部鋼板螺栓承受每延米最大剪力為176kN，抗沖擊性能評估見表5。

表5 各工況下抗沖擊性能評估

圖9 工況4時程曲線

2.4 試驗驗證

使用人工激勵法激發鋼結構防落物墻的振動，確定試驗項目的固有頻率、模態開關、動態響應等參數，從而宏觀上判斷鋼結構防落物墻的整體剛度和運行性能。

為了盡可能充分地捕捉到鋼結構防落物墻在動態激勵下的響應，本試驗主要布置6組試驗工況，即在鋼結構防落物墻1/2高度以上的6個不同掛鉤區域分別激勵（如圖10所示），采集相關信號。鋼結構防落物墻振動測試傳感器的布局根據結構形式確定。根據理論計算得出的振動模型的近似形狀，將傳感器布置在位移較大的位置，以測量結構的最大響應。各工況下鋼結構防落物墻裝置現場試驗結果如表6所示。通過對測得的動力響應信號進行分析，對比有限元分析所得結論如下：

表6 現場試驗結果

圖10 防落物墻裝置現場試驗照片

（1）鋼結構防落物墻裝置的自振頻率為26.8Hz～29.7Hz，有限元計算一階自振頻率均為24.0Hz，表明鋼結構防落物墻裝置的自振頻率在整體剛度上略高于理論值，滿足要求。

（2）在試驗過程中，鋼結構防落物墻裝置各結構反應平穩，未出現異常情況。

3 防落物墻力學性能評估

為確保防落物墻螺栓連接與基礎預埋件在沖擊力作用下不致破壞傾覆，螺栓連接處承載力需大于碰撞過程中最大剪力。此外，螺栓連接作為基礎預埋件的能力保護構件，其承載力需小于基礎預埋件承載力。

《公路鋼結構橋梁設計規范》6.3.9條[6]計算連接螺栓處受剪承載力：

式中：

n v——受剪面數，本結構取1，考慮僅有一面有拼接板，采用0.9折減系數；

d——螺栓桿直徑；

——螺栓抗剪強度設計值。

根據上文研究，防落物墻在螺栓連接處最大剪力為550kN，小于螺栓受剪承載力604kN，螺栓連接承載能力滿足要求。

按《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）9.7.2條[7]計算所需錨筋總截面面積不小于As1和As2的較大值：

式中：

V——剪力設計值，取表5中最大撞擊力268.8kN；

N——法向力設計值，取0；

M——彎矩設計值，取螺栓連接最大剪力604kN與內外側鋼板間距0.15m的乘積，即90.6kNm；

αr——錨筋層數影響系數，本結構為兩層，取1.0；

αv——錨 筋 受 剪 承 載 力 系 數，

αb——錨板的彎曲變形折減系數，錨板厚度t=24mm；

fy——錨筋的抗拉強度設計值，取360MPa；

z——沿剪力作用方向最外層錨筋線之間的距離，取150mm。

錨筋采用直徑20mm，順橋向間距125mm，橫向間距150mm，總面積為5024mm2，大于計算所需錨筋總面積4660mm2。即預埋件承載力大于防落物墻連接處承載力，可保證基礎預埋件不致損壞。

4 結束語

（1）防落物墻體與基礎采用螺栓連接，施工人員在橋面即可施擰螺栓，便于安裝與養護維修；螺栓連接抗剪承載力大于四種落物撞擊產生的最大剪力，說明該防落物墻裝置耐沖擊性能較為出色。

（2）根據計算，基礎預埋件的承載能力大于螺栓連接承載能力，即防落物墻裝置遭遇撞擊后螺栓連接位置先于預埋件破壞，保證了防落物墻裝置的可維修性。

（3）有限元計算結果中，選取的四種落物撞向防落物墻裝置后，速度橫橋向分量均朝向橋梁內側，體現出防落物墻裝置較好的防落物能力。

（4）采用人工激勵法對鋼結構防落物墻裝置進行現場檢測，實測自振頻率略大于有限元計算的自振頻率，說明有限元計算選取的材料參數、邊界條件科學合理。