集裝箱車輛與跨線橋梁的碰撞響應分析

周杰峰

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

0 引言

根據交管部門的最新統計，全國各地的跨線橋中，有近一半都被撞過，這種碰撞對橋梁的損壞是難以估量的，有的是“內傷”修復困難，且費用昂貴，有的破壞嚴重，已基本喪失使用功能，只能重建，見圖 1、圖 2。

圖1 卡車撞擊護欄

圖2 卡車翻斗意外豎起導致撞擊

車輛撞擊導致橋梁破壞，是目前城市交通工程中必須面對且尚未解決的重要課題，因此保證橋梁的抗撞擊能力并采取有效防護措施，是保障橋梁遭受撞擊后安全的最后技術防線；深入研究車－橋碰撞的內在科學機理，進而提出有針對性的橋梁抗撞擊設計方法和防護技術措施，是解決車輛撞擊橋梁破壞的重要科學技術基礎[1-4]。

1 有限元模擬

1.1 車輛模型

不同廠家、不同型號的集裝箱車輛均存在一定的差別，通過大量調查取證，本文集裝箱車長×寬×高：11.8m×2.13m×4.07m，軸距：1.35m×6.5m×3.4 m。因本文中碰撞的主體是集裝箱，整車有限元模型主要簡化為集裝箱、車頭、車板及其下部結構，其中輪胎和下部牽引裝置采用剛化處理，集裝箱與車輛下部采用鉸接處理。鋼材采用基于Von Mises屈服準則的彈塑性本構模型，考慮到卡車與梁體碰撞完后會進行二次碰撞，本文中對集裝箱采用Hyper mesh前處理，整個網格劃分較均勻，見表1。

表1 車廂材料本構參數取值[1]

1.2 跨線橋模型

根據文獻[1]建立典型雙車道簡支梁橋有限元模型，跨徑為30 m，單片梁寬1.4 m，高1.7 m，橋面寬度7.0 m，橫斷面尺寸見圖3。混凝土標號為C40，普通鋼筋為 HRB400，預應力筋張拉力為1 339.2 MPa。支座采用厚度6.3 cm、切向剛度為3 kN/mm的板式固定橡膠支座。參數見表2。

圖3 橋梁橫斷面尺寸（單位：cm）

表2 橋梁上部結構參數表

在有限元模型中，混凝土受壓采用彈塑性本構模型，受拉采用基于最大拉應力準則彌散性裂縫模型；通過給鋼筋單元輸入初始應力模擬預應力筋。用有限元通用的超彈性材料模型Mooey-Rivlin模擬橡膠支座。有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

1.3 計算說明

1.3.1 接觸定義

車-碰撞橋中卡車的撞擊力主要通過集裝箱和腹板下緣之間的“接觸”傳遞給橋梁的，車-橋碰撞的各種動態響應也是基于“接觸”前提下才能實現，因此如何定義好“接觸”是本文數值模擬的關鍵所在。

ABAQUS中接觸的定義主為兩個步驟，第一步是接觸屬性的定義，主要是切向行為和法向行為的定義，本文中法向采取“硬接觸”，切向采取“庫倫摩擦”；第二部是接觸算法的定義，選擇好接觸算法后，由程序來完成后續計算。

1.3.2 模型邊界條件

（1）由于暫不考慮樁土之間的相互作用，墩柱下部采用固結處理；（2）在輪胎與地面接觸處約束車輛向上的自由度；（3）橋梁上部結構和墩柱之間通過接觸模擬其豎向力，橡膠支座考慮其豎向抗拉和水平約束作用。

1.3.3 工況匯總

通過自振頻率計算取車橋耦合碰撞的時間為0.12 s，根據正常汽車行駛速度，取碰撞時車速v=50 km/h；分析集裝箱車輛質量 m=18 t、24 t、30 t三種工況下車輛的碰撞情況。由于車輛撞擊對樁基的影響不大，本文主要對支座和主梁的破壞情況進行分析。

2 應力分析

車-橋碰撞是一類典型的高速、強非線性、局部破壞和整體破壞相互作用的復雜動力演化過程，本文以正碰點處應力和位移為主進行破壞分析。

以工況m=30 t的碰撞結果，進行主梁應力云圖說明。由圖5可以看出，正碰點處混凝土受壓，碰撞點上緣翼緣板位置混凝土受拉。隨著碰撞的進行，應力逐漸加劇，破破范圍越來越大，翼緣板位置首先達到屈服強度，而此時腹板處的混凝土除少數屈服外，大部分抗壓性能并未完全發揮出來。

圖5 主梁不同時刻應力云

圖6～圖8為三種工況下應力時程曲線。

圖6 正碰點處Mises應力時程曲線

圖7 翼緣板處Mises應力時程曲線

圖8 支座上緣Mises應力時程曲線

從圖6中可以看出，主梁的應力呈拋物線變化，在0.04 s左右達到峰值，0.08 s左右結束第一次碰撞。由圖可以看出，對于不同碰撞質量而言，沖量越大，應力最大值也越大，對主梁造成的破壞也越大。

圖7表示翼緣上緣點的應力時程曲線圖，可以看出，翼緣板大部在0.05 s左右開始屈服并出現塑性效應，拉應力不再隨位移的增大而增大，至0.08 s左右第一次碰撞開始結束時拉應力開始減小。對比三種工況，質量越大，翼緣板處的最大拉應力也越大。

由于主梁尚未屈服，隨著碰撞的深入，支座逐漸參與受力；由圖8可以得出，隨著時間的增長撞擊對支座的影響越來越明顯，至撞擊結束，支座上緣的應力達到最大值；對于不同工況而言，質量越大，支座上緣的最大應力也越大。

3 位移響應

圖9、圖10為三種工況下位移時程曲線。

圖9 正碰點處位移時程曲線

圖10 支座上緣位移時程曲線

由圖9可以看出，主梁在0.12 s碰撞結束時位移達到最大值。三種工況作用下，沖量越大，撞擊產生的位移越大；第一種沖量作用下主梁尚未屈服，大部分處于彈性狀態，碰撞產生的能量主要由集裝箱車輛來吸收，正碰點處的位移較小；后兩種沖量作用下，主梁已開始進入塑性變形，最后產生的殘余變形較大，因此位移較大。

由圖10可以看出，出三種工況下，支座的側向受拉位移已達到十幾公分，而且由圖6支座的應力分析可以知道，此時支座的應力已大于20 MPa，支座早已破壞。

4 結語

車輛撞擊是一個十分復雜的非線性過程，跨線橋在車輛撞擊下的破損情況除了跟橋梁本身的結構形式密切相關外，還主要取決于撞擊物類型、速度、質量、撞擊角度、接觸高度等因素。

本文通過以上分析主要得出以下結論：

（1）車—橋碰撞的結果主要取決于撞擊物的剛度、撞擊沖量的大小。撞擊物剛度一定的情況下，沖量越大，主梁和支座能夠達到的最大應力越大，主梁和支座的位移越大，對主梁造成的損傷也就越大；反之，則越小。

（2）對于混凝土箱梁橋而言，箱型結構本身的抗彎和抗扭剛度較大，其梁身局部抗撞能力較強，撞擊后主要破壞特征是支座位移過大。