基于仿真的跨線橋橋墩撞擊性能研究

基于仿真的跨線橋橋墩撞擊性能研究

中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，原材料供應(yīng)和人員交流對(duì)交通的需求迅速增加，線路上的橋梁數(shù)量正在增加。而由于駕駛?cè)藛T失誤、預(yù)防工作不足、監(jiān)管不力等原因,跨線橋下方車輛撞擊橋梁的事故時(shí)有發(fā)生。2005年,一輛大型水泥罐車由于司機(jī)疲勞駕駛在穿行西固深溝橋雙洞鐵路橋時(shí)撞擊橋墩,導(dǎo)致橋墩損壞;而在2008年1月29日,207國道襄城觀音閣路段一大貨車為避免與前行客車相撞,迎面撞上焦柳鐵路立交橋橋墩。在車輛撞擊荷載作用下,墩頂位移會(huì)使撞擊位置的軌道不平順增強(qiáng),而橋梁的水平響應(yīng)則成為車橋動(dòng)力作用的激勵(lì)源。這些都對(duì)橋梁的安全運(yùn)營和使用壽命帶來不利影響,留下災(zāi)難性事故隱患,甚至直接威脅列車運(yùn)行安全,從而造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。車橋碰撞問題包括車撞橋墩和超高車輛撞擊梁體兩部分。目前,關(guān)于車輛撞擊結(jié)構(gòu)已有不少研究,如美國德克薩斯州運(yùn)輸研究所在足尺撞墩實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用有限元分析研究了車速對(duì)撞擊力的影響;再如澳大利亞昆士蘭大學(xué)的H.M.I.Thilakarathna采用非線性數(shù)值分析模型,研究了車輛對(duì)墩柱的撞擊作用;此外還有Tsang,Liu,Macdonald等人做了相關(guān)研究。本文主要研究對(duì)象為車與橋墩撞擊,旨在探索不同載重下車橋撞擊力變化規(guī)律。1有限軟件lsdyna1.1lagrange算法顯示動(dòng)力分析方法LS-DYNA是世界上著名的通用顯示非線性動(dòng)力分析程序,能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題。它具有強(qiáng)大的分析能力、豐富的材料模型庫、易用的單元庫以及自適應(yīng)網(wǎng)格剖分等功能。特別適合求解幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題,如爆炸與沖擊、結(jié)構(gòu)碰撞、金屬加工成形問題。它以顯式分析為主,隱式分析為輔;以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法。其顯示動(dòng)力分析采用中心差分方法,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)在第n個(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)刻的加速度向量通過下式進(jìn)行計(jì)算a(tn)=M?1[P(tn)+Fint(tn)](1)a(tn)=Μ-1[Ρ(tn)+Fint(tn)](1)式中,P為第n個(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)刻結(jié)構(gòu)上所施加的節(jié)點(diǎn)外力向量(包括分布荷載經(jīng)轉(zhuǎn)化的等效節(jié)點(diǎn)力);Fint為tn時(shí)刻的內(nèi)力矢量,它由下面幾項(xiàng)構(gòu)成Fint=∫ΩBσdΩ+Fhg+Fcontact(2)Fint=∫ΩBσdΩ+Fhg+Fcontact(2)上式右邊3項(xiàng)依次為:tn時(shí)刻單元應(yīng)力場(chǎng)等效節(jié)點(diǎn)力(相當(dāng)于動(dòng)力平衡方程內(nèi)力項(xiàng))、沙漏阻力Fhg(為克服單點(diǎn)高斯積分引起的沙漏問題而引入的黏性阻力)和接觸力矢量Fcontact。根據(jù)中心差分法基本思路,加速度由速度的一階中心差分給出,速度由位移的一階中心差分給出。于是節(jié)點(diǎn)速度向量可由計(jì)算出的加速度結(jié)合差分公式表示,節(jié)點(diǎn)位移向量可由節(jié)點(diǎn)速度向量結(jié)合差分公式表示。1.2ls-dyna算法有限元仿真分析共有前處理、有限元求解和后處理3個(gè)階段。在前處理中,需要制定分析所選用的單元類型、定義材料模型、創(chuàng)建幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義PART、定義接觸信息、邊界條件和荷載等。在后處理中,可通過軟件查看力、加速度、應(yīng)力等變量的時(shí)間歷程曲線。作為求解器,LS-DYNA本身只用于讀取模型信息、計(jì)算并輸出結(jié)果,而不具備前處理與后處理功能,需要配合HYPERMESH、ANSYS或LS-PREPOST等前、后處理程序使用。本文選擇LS-PREPOST與DYNA配合使用。2模擬模型的構(gòu)建2.1車輛撞擊性分析與一般剛體或崩塌巖體撞擊橋墩等情況不同的是,車輛(特別是車頭部分)在撞擊過程中產(chǎn)生變形并吸收能量。為了能夠模擬車頭的變形吸能,車輛模型采用由美國聯(lián)邦高速公路(FHWA)和美國高速公路安全協(xié)議(NHTSA)支持的“國家碰撞分析中心”(NationalCrashAnalysisCentre,NCAC)推出的雙軸卡車有限元模型F800,如圖1所示。該模型是基于LS-DYNA軟件的標(biāo)準(zhǔn)汽車有限元模型系列之一,由聯(lián)邦政府開發(fā)并驗(yàn)證,用來研究車輛的防撞性。研究人員通過提取汽車各部件的樣片數(shù)據(jù)建立有限元模型,因此該車輛模型具有較好的可信度。F800卡車模型總質(zhì)量為8.02t,共有38716個(gè)節(jié)點(diǎn)和35035個(gè)單元,主要由4部分組成:車身部分、底盤部分、發(fā)動(dòng)機(jī)和重物。其中發(fā)動(dòng)機(jī)與重物采用SOLID164實(shí)體單元,賦予各向同性彈性材料模型*MAT_ELASTIC;車身和底盤的金屬部件則采用SHELL163殼單元模擬,賦予分段線性塑性模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTIC。此外,還用到*MAT_RIGID和*MAT_SPRING_ELASTIC等材料模型。各個(gè)獨(dú)立汽車部件之間的連接,例如貨廂與縱梁間,通過“焊點(diǎn)”來模擬。當(dāng)撞擊作用下某些焊點(diǎn)的伸張力和扭曲力達(dá)到失效極限時(shí),即產(chǎn)生斷裂,模擬真實(shí)撞擊中的部件斷裂和脫離。關(guān)于車輛模型的質(zhì)量與車速。根據(jù)2004年國家標(biāo)準(zhǔn)《道路車輛外廊尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》(GB1589—2004)和2000年交通部第2號(hào)令《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》,比較車輛總軸重限載與車貨總重限載,取兩者之中的最小值為判別標(biāo)準(zhǔn):雙聯(lián)軸(每側(cè)各一單輪胎、雙輪胎)載質(zhì)量最大為14t。本模型總質(zhì)量為8t。而根據(jù)高速公路相關(guān)車速規(guī)定,最低車速不得低于60km/h,最高車速不得高于120km/h。為了使結(jié)果更具有可對(duì)比性,選取車速分別為60km/h、70km/h和80km/h三種情況,在每種情況下考慮車輛載重分別為8、10、12t和14t,建立仿真模型并計(jì)算,得到撞擊力時(shí)程。2.2ls-dyna動(dòng)力分析的材料模型橋墩尺寸參考“時(shí)速350km客運(yùn)專線鐵路橋墩通用圖”《叁橋通(2006)4308》雙線圓端形橋墩,見圖2。該橋墩為客運(yùn)專線用橋墩,圓端中心距離長(zhǎng)7.6m,墩寬3m,墩高8m。采用C30混凝土,縱筋采用HRB335鋼筋。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有3種方式:分離式、組合式和整體式。分離式模型把鋼筋和混凝土作為不同的單元來處理,它的優(yōu)點(diǎn)是可考慮混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)和滑移;整體式模型也稱分布式模型或彌散鋼筋模型,即將鋼筋連續(xù)均勻分布于整個(gè)單元中,它綜合了混凝土和鋼筋對(duì)剛度的貢獻(xiàn)。對(duì)于實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件多且鋼筋布置復(fù)雜,整體式模型也足夠精確。分析中采用的模型為整體式模型,如圖3所示。為了更好地模擬撞擊,橋墩采用實(shí)體單元SOLID164。關(guān)于材料模型,LS-DYNA動(dòng)力分析中混凝土材料常常采用HJC本構(gòu)和Brittle_damage本構(gòu)。HJC本構(gòu)能夠模擬大應(yīng)變、高應(yīng)變率以及高圍壓下混凝土的力學(xué)行為;相比較而言,Brittle_damage本構(gòu)基于損傷力學(xué)理論,能夠模擬混凝土拉伸斷裂行為。文獻(xiàn)在落錘實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)比2種本構(gòu),結(jié)果表明HJC模型計(jì)算碰撞持續(xù)時(shí)間只有試驗(yàn)結(jié)果的40%左右,碰撞力峰值則明顯大于試驗(yàn)結(jié)果。相應(yīng)的Brittle_damage模型計(jì)算的碰撞力時(shí)程與試驗(yàn)結(jié)果吻合最好。因此,本文采用材料模型Brittle_damage本構(gòu)模型進(jìn)行分析,橋墩材料參數(shù)如表1所示。表1中,ρ為混凝土密度;E為混凝土的彈性模量;ν為泊松比;ft為初始抗拉極限;fs為抗剪極限;Gf為斷裂韌度;βs為剪切保持力;η為體積黏性。另外,定義Brittle_damage材料時(shí)還需要輸入鋼筋混凝土的鋼筋率、鋼筋屈服強(qiáng)度和鋼筋硬化模量等,在此不一一列舉。2.3撞擊力的生成本模型采用面-面自動(dòng)接觸(ASTS)。在碰撞過程中,車身與橋墩之間、車身的主要部件之間會(huì)發(fā)生接觸,有些部件變形后會(huì)碰到其他部件,尤其是車頭部分在撞擊過程中會(huì)擠壓到一起。這些相互擠壓的部分會(huì)有力地作用,在LS-DYNA中通過定義接觸來模擬它們之間力的關(guān)系。沒有定義接觸就無法實(shí)現(xiàn)撞擊并生成撞擊力,體現(xiàn)在模型中則是車輛穿墩而過。LS-DYNA提供了方便、快捷的撞擊力生成命令語句*DATABASE_RCFORC,其作用是記錄各個(gè)單元上的接觸力,同時(shí)自動(dòng)求和得到撞擊力的合力。因此只需要在關(guān)鍵字文件中輸入相應(yīng)參數(shù),通過ASCⅡ選項(xiàng)卡即可提取撞擊力時(shí)程曲線。3仿真結(jié)果分析在3種車速下分別選取車輛載重為8、10、12、14t4種情況進(jìn)行仿真分析,分別建立有限元模型并計(jì)算。4種載重通過增減車輛模型中重物的質(zhì)量得到,車輛其他3部分的質(zhì)量保持不變。在這4種情況中重物占總重的比例分別為35%、48%、57%和63%。3.1撞擊的發(fā)生圖4為80km/h情況下載重8t的車輛撞擊力時(shí)程曲線。撞擊力作用于橋墩的時(shí)間從出現(xiàn)到消失共持續(xù)了約0.3s,其時(shí)程大致可劃分為突變期和平穩(wěn)期;撞擊力在突變期出現(xiàn)2次峰值,分別位于t=0.029s時(shí)刻和t=0.054s時(shí)刻,橋墩收到的撞擊力最大值達(dá)到6.14MN;在2個(gè)波峰過后,撞擊力經(jīng)過了時(shí)長(zhǎng)約為0.084s的持續(xù)平穩(wěn)期,此過程中橋墩處于1MN左右大小的持續(xù)波動(dòng)力作用中;平穩(wěn)期過后,撞擊力逐漸衰減為0。圖5以載重8t車輛撞擊為例,給出了峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的撞擊示意圖。由幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的車輛變形可以看出第一次波峰出現(xiàn)在車輛與橋墩接觸不久后;隨后內(nèi)車頭前部殼單元被壓縮,內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)等實(shí)體單元與殼單元一起被壓縮,并在0.054s時(shí)第2次出現(xiàn)峰值;與平穩(wěn)期對(duì)應(yīng)的時(shí)間里,車頭的殼單元和實(shí)體單元持續(xù)被壓縮,直至最終車輛與橋墩脫離。3.2沙漏能、滑移能分析判斷仿真數(shù)據(jù)是否正確一般通過實(shí)驗(yàn)或者工程數(shù)據(jù)對(duì)比得出,而對(duì)于仿真建模計(jì)算本身正確性還可以從能量角度評(píng)價(jià),能量守恒是判斷仿真結(jié)果本身是否合理的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。由于顯示分析中采用縮減積分造成單元零能模式以及接觸面的能量耗散,會(huì)出現(xiàn)沙漏能和滑移能。因此有總能=內(nèi)能+動(dòng)能+滑移能+沙漏能,沙漏能和滑移能一般不應(yīng)超過內(nèi)能的10%。此處僅選取載重8t時(shí)能量變化進(jìn)行檢驗(yàn)。能量變化時(shí)程如圖6所示。撞擊過程的能量變化直接通過軟件從計(jì)算結(jié)果中提取,其中t=0.35s時(shí)總能量為2.101×106J,動(dòng)能為0.043×106J,內(nèi)能為1.979×106J,因此可知沙漏能與滑移能總和為0.079×106J,低于內(nèi)能的10%。可見仿真計(jì)算的結(jié)果是可靠的。3.3平穩(wěn)期試驗(yàn)結(jié)果在我國,車輛超載是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象,一旦與橋墩相撞,其影響是非常嚴(yán)重的。為了比較這種影響,圖7(a)～7(c)分別給出了3種車速情況下不同載重車輛撞擊力時(shí)程的結(jié)果對(duì)比。可以看出,突變期撞擊力峰值主要受車速影響,與車輛載重?zé)o關(guān);而在平穩(wěn)期,隨著載重提高和重物所占比例上升,平穩(wěn)期曲線逐漸向上升起,撞擊力持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),并且形成新的波峰。美國AASHTO2007年頒布的《LRFDbridgedesignspecification,4thedition》中規(guī)定:位于距道路邊緣9m以內(nèi)或距鐵路軌道中心線15m的橋梁墩臺(tái),未安裝防護(hù)裝置時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮1800kN的車輛撞擊力。另外,我國《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函120號(hào))中規(guī)定,對(duì)遭受汽車撞擊而無防撞措施的橋梁墩臺(tái),應(yīng)檢算汽車撞擊狀態(tài),順汽車行駛方向的撞擊力應(yīng)采用1000kN?？梢娨?guī)范(特別是我國規(guī)范)提出的汽車撞擊力校驗(yàn)值偏小,僅適用于低車速低載重的情況。3.4撞擊作用的時(shí)程曲線實(shí)際的橋墩撞擊事故中,正面碰撞很少發(fā)生,車輛常常以一定角度撞向橋墩,因此不同角度下車輛對(duì)橋墩的撞擊力具有研究意義。以過橋墩?qǐng)A端圓心的鉛垂線作為旋轉(zhuǎn)軸線,基于3種車速考慮載重8t車輛分別以15°、30°和45°撞擊橋墩。通過撞擊力時(shí)程曲線可以看到,隨著角度的增大,突變期和平穩(wěn)期撞擊力均有不同程度的下降。其中平穩(wěn)期撞擊力的變化較小,突變期峰值的變化幅值較大。4突變期撞擊作用基于LS-DYNA有限元仿真,得到3種車速下不同載重車輛撞擊下車輛與橋墩的撞擊力時(shí)程,通過對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)