基于LS-DYNA的墩柱碰撞動力響應仿真分析研究

周 瀾

(中方縣交通局農村公路建設事務中心,湖南 懷化 418000)

0 引 言

在山區橋梁及城市橋梁建設運營中,可能會遭受到落石及車輛撞擊等情況,嚴重時會導致下部結構損壞,從而危及橋梁整體安全,需對墩柱碰撞效應進行相應的力學分析,明確其受力性能并針對性地提出控制措施。眾多學者對于橋墩碰撞及防護措施有了頗多研究。鄒毅松[1]等探究了滾石撞擊下雙柱式橋墩動力響應,分析得出了撞擊效果受到動能、速度等因素影響;孫欽東[2]引入結構動力學理論,考慮材料、幾何及接觸非線性,分析了橋墩與輪船碰撞過程,表明碰撞速度對碰撞力峰值有著顯著影響,同時碰撞區域外也會出現高應力情況。羅征等[3]選取了不同的尺寸的橋墩開展了不同高度的沖擊試驗,對于其結構損傷進行分析,明確了不同因素作用下的撞擊效果。趙武超[4]基于LS-DYNA軟件建立了精細化卡車數值模型,驗證了數值模型合理性,并分析貨物剛度、偏心撞擊及速度等各參數的影響規律;周曉宇等[5]依托徹底關大橋為研究背景,建立了樁土邊界作用下的橋墩模型,從剪力破壞參數等方面評估了撞擊損傷程度及效果;王向陽[6]通過建立車-橋撞擊有限元模型,擬合出車撞力計算公式,再結合此公式及隨機參數變量,分析了碰撞之后結構的可靠度,得出混凝土強度變化影響最為顯著的結論。參考現有研究成果,本文選取試驗所作圓形截面鋼筋混凝土墩柱進行有限元仿真分析,針對碰撞過程中撞擊點材料的速度、受力以及墩頂、墩底主應力結果進行研究,得出合理的結論及建議,供廣大學者參考。

1 模型基本概述

為了簡化計算時間以及滿足仿真精確性的需求,選取某圓形截面鋼混凝土墩柱為參考建立仿真模型。撞擊點距離墩底0.35 m的位置,墩柱基礎尺寸為長0.8 m,寬0.8 m,高0.6 m,墩柱高1.85 m,直徑為350 mm。墩柱材料選取C30強度混凝土,墩柱縱筋采用直徑8 mm的HRB400熱軋螺紋鋼筋,箍筋為6.5 mm的HPB300熱軋光圓鋼筋,鋼筋在相應方向均勻布置。

模型中混凝土考慮連續帽蓋模型[7](MAT_CSCM_CONCRETE),此模型可以很好地反映混凝土材料撞擊下的動態響應以及破壞情況,同時此模型輸入參數少,操作簡單便捷。鋼筋材料選用的是塑性隨動雙線性強化模型[8](*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),屈服應力為

(1)

2 仿真計算模型建立

本文利用ANSYS/LS-DYAN軟件建立墩柱撞擊有限元模型,模型中墩柱底座混凝土為8節點的SOLID164實體單元,撞擊體視為剛體模型[9],彈模取為E=8.95 GPa,泊松比為υ=0.3,選用LINK160單元來模擬鋼筋結構。墩柱基礎約束所有自由度,為了較好的模擬墩柱上部結構的作用,其頂部約束平動,放開轉動約束,使其邊界約束成為鉸接形式。鋼筋與混凝土共節點連接,不考慮之間的滑移作用。為了保證計算結果的可信度,采取調控網格大小來進行相應的密度調整,降低沙漏模式,以達到沙漏能不超過總能量的10%[10],同時在建立模型時,撞擊體與墩柱之間設置微小間距,防止模型初始穿透現象的發生。

3 碰撞過程響應分析

結構碰撞是極其短暫的能量傳遞至消散的過程,材料受力在瞬時發生并結束,需要將此短時間內的結構受力結果提取進行連續分析。此處設定撞擊體質量為3.5 t,速度為2.7 m/s,撞擊時間設定為0.12 s。此處擬定撞擊位置為離墩底近1/3高度位置,考慮到實際過程中沿墩柱徑向撞擊破壞程度最大,因此此處撞擊為正面徑向撞擊。

3.1 撞擊點處單元速度分析

現選取撞擊點附近單元,從上至下編號為A～E,其速度結果如圖1所示。從圖1中可以看出,在撞擊接觸初期,撞擊點處材料速度處于線性上升階段,且各單元速度上升速率基本一致,此時材料并沒有完全失效,但是曲線未完全重合,說明混凝土已經開始出現裂縫,材料單元之間的速度沒有完全相同;在時間達到2.5×10-3s左右時,撞擊點處單元速度達到峰值,最大接近2.7 m/s,此后曲線開始下降,撞擊體離開墩柱接觸面,材料單元速度減小,直至恢復靜止狀態。

圖1 撞擊處單元速度時程曲線圖

3.2 撞擊點背部單元應力分析

依據上述仿真計算模型,觀察墩柱撞擊時的受力情況,提取撞擊點背面單元Von-Mises應力值,單元編號水平方向依次為A～D,將其應力-時間曲線繪制見圖2所示。

圖2 撞擊點背面單元應力時程曲線圖

根據圖2應力-時間曲線分析可知。

(1)A單元受力最為顯著,短時間內以“V”型突變,說明此處單元接受撞擊能量最多,同時應力值瞬間下降至0,說明此時材料已完全失效,混凝土剝落。

(2)C單元屬于受撞擊影響最小的單元,與其他單元相比,應力變化幅度較為平緩,沒有明顯的突變現象,但是在0.008 s之后曲線相互變化趨勢基本一致。

(3)B與D單元整體變化趨勢一致,在經歷上升-下降-上升階段后,逐步達到一個平穩狀態,可以看出B、D材料在接受能量后,迅速將能量再次傳遞出去,再通過吸收能量升至穩定狀態。因此在考慮墩柱防撞措施中,不僅考慮進行墩柱加固方法,也可以通過吸能裝置降低撞擊破壞程度。

3.3 墩頂主應力分析

墩柱受到撞擊作用時除了影響自身下部結構的損壞,同時下部受力情況直接影響到了支座的工作情況進而影響上部結構的安全性。根據材料力學中的強度準則,混凝土材料屬于脆性材料,抗拉強度較小,此處提取了撞擊體初始接觸時的墩頂主應力云圖,由圖3所知,墩頂整體以受拉為主,在遠離撞擊側的材料出現了壓應力,考慮考慮到模型墩頂設置為鉸接,限制了平動自由度,轉動約束放開,說明了在撞擊荷載作用下,墩頂發生了微小的轉動,拉、壓應力分界線明顯,此轉動可能會影響到支座的受力情況,需要針對支座結構進行結構分析,同時也許防范支座與墩柱的接觸界面脫離的情況產生。

圖3 墩頂單元主應力時程圖

為了分析全過程墩頂的受力情況,依次繪制墩頂以下四個單元A～D的主應力時程曲線圖,從圖3中曲線可以看出距離墩頂最近的A、B單元在0.01 s左右達到壓應力最大值,C單元沒有較大的波動幅度,但是總體仍以受壓為主;D單元為遠離墩頂處,基本處于墩頂拉、壓應力分界線位置;碰撞前期墩頂總體應力變幅較大,材料失效可能性增加,在后期運營過程中注意此處的保護措施。

3.4 墩底主應力分析

在墩柱受到碰撞沖擊荷載后,墩底位置由于處于完全固結狀態,此處荷載無法進行有效的釋放,會產生較大地應力集中現象,會導致裂縫的產生,在后期滲水等不利環境因素下,引起混凝土及鋼筋腐蝕情況。本文選取撞擊體碰撞接觸與脫離接觸時間,提取碰撞過程中最大主應力結果進行分析。

結果可知,在碰撞體剛一接觸墩柱的瞬間,墩底混凝土結構就表現出了撞擊側受拉,背部受壓,墩柱下部以墩底為軸心進行轉動,同時其拉應力數值已經超過了C30材料的強度設計值,最大達到了6.58 MPa。之后拉應力范圍逐步擴大,最大數值無明顯變化;對比0.012 s與0.013 s時的主應力狀態,墩底撞擊點背部一側無明顯變化,撞擊側以及遠離墩底的位置,大部分混凝土由受拉轉變為受壓,說明時碰撞體已逐漸脫離墩柱表面,墩體沒有進一步的轉動趨勢;通過分析整個碰撞過程墩底材料主應力情況,可以知道在碰撞初期墩底一側混凝土就處于受拉狀態而可能引起開裂,后期雖然混凝土重新開始受壓,但是裂縫可能無法達到完全閉合狀態,因此在進行墩柱防撞措施中,不僅需要針對撞擊位置處進行支護,在墩底也要采取一定的防護措施,保證墩柱整體結構的安全性。

4 結 論

(1)碰撞接觸初期,撞擊點位置材料變形迅速,裂縫開始出現,其材料單元位移最大速度接近撞擊體速度。

(2)墩柱碰撞是材料對于能量的吸收-傳遞-再吸收過程,部分材料會直接失效而剝落,在墩柱防護中可考慮主動吸收沖擊能量來降低損傷。

(3)在碰撞作用初期,墩頂及墩底混凝土結構為撞擊側受拉,背部受壓,受拉狀態會導致混凝土開裂,后期墩頂仍以受拉為主,墩底恢復受壓狀態,但裂縫無法完全閉合,說明墩底防護要予以足夠重視,進行相應的主動防護措施。