車輛撞擊橋墩及防撞措施研究

李 強(qiáng) （安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

新中國(guó)以來(lái)，尤其是改革開(kāi)放以后，我國(guó)交通事業(yè)得到了飛速發(fā)展。截至2021 年底，全國(guó)公路總里程519．81 萬(wàn)km，比上年末增加18．56 萬(wàn)km；公路密度54．15 公里/百平方公里，增加1．94 公里/百平方公里；公路養(yǎng)護(hù)里程514．40萬(wàn)km，占公路總里程99．0%。交通事業(yè)發(fā)展的同時(shí)，交通安全問(wèn)題引起了社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注，其中便有車輛撞擊橋墩的問(wèn)題[1]。

2 國(guó)內(nèi)外車輛撞擊橋墩及防撞措施研究現(xiàn)狀

車輛撞擊橋墩的過(guò)程是一次較為復(fù)雜的非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，只依靠理論分析很難能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。車橋碰撞試驗(yàn)是一種可以較為準(zhǔn)確地解釋這一過(guò)程的方法，但是這種試驗(yàn)成本較為昂貴，且在試驗(yàn)的過(guò)程中有一定的危險(xiǎn)性，存在著實(shí)驗(yàn)過(guò)程不好操作、不可重復(fù)試驗(yàn)等缺點(diǎn)?？s尺試驗(yàn)雖不能與足尺試驗(yàn)相媲美，但其在一定程度上也能反映出車橋碰撞的機(jī)制。因此，國(guó)內(nèi)外都普遍應(yīng)用這一試驗(yàn)方法。

在國(guó)外，Abdullatif K．Zaouk[3]以及英國(guó)Arup 公司都先后進(jìn)行過(guò)車橋碰撞足尺試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真分析在一定程度可以較為準(zhǔn)確地反映出車橋碰撞的響應(yīng)與機(jī)理[2]。

Buth 等（2011）也先后進(jìn)行過(guò)兩次車橋碰撞的足尺試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明車輛撞擊橋墩時(shí)的撞擊力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《LRFD Bridge Design Specifications》（2007）[4]中的設(shè)計(jì)值。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)車橋碰撞的研究多是采用縮尺試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真分析以及理論分析，對(duì)足尺試驗(yàn)研究極少。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)縮尺試驗(yàn)證明，車橋碰撞的響應(yīng)時(shí)間極短，整個(gè)過(guò)程大概只有0．2s，且車輛質(zhì)量越大，對(duì)橋梁的影響就越大[5-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬分析得出橋梁支座形式對(duì)撞擊過(guò)程的影響較小、車輛速度及質(zhì)量對(duì)撞擊過(guò)程的影響較大的結(jié)論[7-8]。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)鋼板、泡沫鋁、混凝土墩等防撞措施進(jìn)行了研究[9-10]。

3 車橋碰撞的相關(guān)規(guī)范

目前，國(guó)內(nèi)外在分析橋梁防撞設(shè)計(jì)問(wèn)題上采用的模型均是等效靜力。這種方法是將車橋碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)撞擊力轉(zhuǎn)化為靜力從而來(lái)進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)。顯然這種方法是不夠準(zhǔn)確的，首先車橋碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其次忽略了材料應(yīng)變率帶來(lái)的影響。

在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中有以下規(guī)定，在車輛行駛方向，汽車撞擊力設(shè)計(jì)值應(yīng)取1000kN，在車輛行駛垂直方向，汽車撞擊力設(shè)計(jì)值應(yīng)取500kN，不考慮兩個(gè)方向撞擊力的同時(shí)作用。撞擊力位于行車道以上1．2m處。

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002-2017）中對(duì)汽車撞擊力有以下規(guī)定，在順行車方向，撞擊力應(yīng)采用1000kN，在橫行車方向，撞擊力應(yīng)采用500kN，不同時(shí)考慮兩個(gè)等效力的作用，撞擊力位于行車道以上1．20m處。

歐洲統(tǒng)一規(guī)范BS EN 1991-1-7（2006）和BS EN 1991-2（2003）對(duì)作用在橋墩上的車輛撞擊力作出了以下規(guī)定：車輛撞擊橋墩的撞擊力是等效靜態(tài)設(shè)計(jì)值，該等效值需綜合考慮碰撞角度、車速、車的質(zhì)量等因素；根據(jù)道路等級(jí)、車輛類型對(duì)設(shè)計(jì)值的大小進(jìn)行劃分；對(duì)撞擊力的高度、撞擊區(qū)域進(jìn)行了規(guī)定。規(guī)范中規(guī)定，高速公路、國(guó)道和主干道在平行于車行道方向時(shí)，車輛撞擊力設(shè)計(jì)值為1000kN，而在垂直于車行道方向時(shí)，車輛撞擊力設(shè)計(jì)值為500kN；郊區(qū)道路，平行于車行道方向和垂直于車行道方向?qū)?yīng)的撞擊力設(shè)計(jì)值分別是750kN和375kN。撞擊力作用在地面以上1．25m處，作用區(qū)域高0．5m，寬1．5m。

美國(guó)AASHTO《橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（2017）中對(duì)車輛撞擊力設(shè)計(jì)值、撞擊角度、撞擊高度數(shù)據(jù)的有關(guān)規(guī)定來(lái)源于80kip（36t）拖掛車以約50mile/h（80km/h）的速度撞擊橋墩的足尺試驗(yàn)。車輛撞擊力為600kip（2668．8kN）；撞擊方向與行車方向夾角為0～15°；撞擊高度為地面以上5ft（1524mm）；撞擊的區(qū)域?yàn)?524mm（5ft）寬，610mm（2ft）高。

表1 為中、美、英在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)撞擊力的規(guī)范要求。

表1 規(guī)范中對(duì)撞擊力的要求

4 中型車-橋碰撞的模擬分析

本次橋梁模型采用的是城市高架橋中常用的雙柱式梁橋，橋墩形狀為圓柱式，直徑為1．5m，橋墩高為7．0m，雙墩中心間距為5．3m，上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室箱梁。

圖1 橋梁模型

車輛模型采用的是具有代表性的中型車輛，質(zhì)量為10t。

圖2 車輛模型

在本文計(jì)算分析中，接觸方式定義車橋?yàn)樽詣?dòng)接觸，橋墩與地面的約束形式為固定約束。車橋碰撞動(dòng)摩擦系數(shù)定義為0．2，靜摩擦系數(shù)定義為0．3。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2006）中對(duì)高速公路碰撞事故的調(diào)查，車輛碰撞角度多集中在15～20°，根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2017）中的剛性護(hù)欄碰撞試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)的碰撞角度為20°，所以本文車橋碰撞角度定為20°。

在研究車橋碰撞問(wèn)題中，撞擊力是反映橋墩受力的重要指標(biāo)，圖3為以上5種工況的撞擊力時(shí)程曲線。

圖3 不同工況下的撞擊力時(shí)程曲線圖

根據(jù)圖3 模擬分析結(jié)果，首先不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛的速度越高時(shí)，所產(chǎn)生的撞擊力峰值隨之越大，這是因?yàn)樗俣仍酱?，撞擊能量就越大；其次可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度變大時(shí)，撞擊力峰值的發(fā)生也在提前，這是由于車速變大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)與橋墩提前相撞；最后可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)撞擊過(guò)程持續(xù)的時(shí)間極短，只有0．2s左右。

從圖3 模擬分析結(jié)果可以看到，當(dāng)撞擊速度為80km/h 和100km/h 時(shí)，撞擊力峰值分別為2800kN和5400kN。

5 重型車-橋碰撞的模擬分析

除本章節(jié)采用的20t 重型車輛模型（通過(guò)在車廂里添加10t 貨物使其達(dá)到重型車輛的標(biāo)準(zhǔn)）而前文中用的是10t中型車輛模型之外，其他與前文中型車-橋碰撞分析采用的模型一樣。

在研究車橋碰撞問(wèn)題中，撞擊力是反映橋墩受力的重要指標(biāo)，圖4為以上5種工況的撞擊力時(shí)程曲線。

圖4 不同工況下的撞擊力時(shí)程曲線圖

根據(jù)圖4 模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛的速度越高時(shí)，所產(chǎn)生的撞擊力峰值隨之越大，這是因?yàn)樗俣仍酱?，撞擊能量就越大；其次可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度變大時(shí)，撞擊力峰值的發(fā)生也在提前，這是由于車速變大時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)與橋墩提前相撞；最后可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)撞擊過(guò)程持續(xù)的時(shí)間極短，只有0．2s左右。

從圖4 模擬分析結(jié)果可以看到，當(dāng)撞擊速度為80km/h 和100km/h 時(shí)，撞擊力峰值分別為2900kN和5800kN。

結(jié)合前文來(lái)看，當(dāng)撞擊速度為80km/h 時(shí)，中型車和重型車的撞擊力峰值分別為2800kN 和2900kN；當(dāng)撞擊速度為100km/h 時(shí)，中型車和重型車的撞擊力峰值分別為5400kN 和5800kN。雖說(shuō)車輛質(zhì)量相差10t，但相同撞擊速度下產(chǎn)生的撞擊力峰值卻相差很小。這和我們的認(rèn)知不符，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楫a(chǎn)生了撞擊力峰值，是車輛發(fā)動(dòng)機(jī)與橋墩發(fā)生碰撞，因本次模擬采用的中型車和中型車均采用同一個(gè)車輛模型，便解釋了發(fā)生這種現(xiàn)象的原因。

表2 中型車以不同速度撞擊橋墩時(shí)的工況

表3 重型車以不同速度撞擊橋墩時(shí)的工況

結(jié)合前文發(fā)現(xiàn)，當(dāng)撞擊速度為100km/h 時(shí)，重型車撞擊產(chǎn)生的次峰值遠(yuǎn)比中型車撞擊產(chǎn)生的次峰值大，這是因?yàn)楫?dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)與橋墩發(fā)生碰撞產(chǎn)生撞擊力峰值后，車輛沒(méi)有立刻停下而是繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，隨后車廂里的貨物再次與橋墩發(fā)生碰撞，產(chǎn)生撞擊力次峰值，20t 的重型車?yán)锏呢浳镞h(yuǎn)比10t 的中型車?yán)锏呢浳锒啵援a(chǎn)生的撞擊力次峰值也就遠(yuǎn)比中型車大。因此，貨物的剛度越大，撞擊力次峰值越大。

以上兩種車型，當(dāng)撞擊速度為80km/h和100km/h時(shí)，撞擊力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）和《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002-2017）中1000kN的規(guī)范值。但是撞擊力峰值只發(fā)生在一瞬間，如果把撞擊力峰值作為橋梁防撞的設(shè)計(jì)值，顯然不合理。

6 橋墩防撞措施的模擬分析

本文對(duì)“泡沫鋁+鋼板”“混凝土+鋼板”這兩種防撞組合措施進(jìn)行了研究。

本次工況模擬采用車輛質(zhì)量為20t，橋梁模型為上文中的橋梁模型，本次模擬分析在上文中的橋梁模型中分別加入了這兩種防撞組合措施，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。

表4 撞擊防撞措施一工況設(shè)計(jì)

表5 撞擊防撞措施二工況設(shè)計(jì)

在研究車橋碰撞問(wèn)題中，撞擊力是反映橋墩受力的重要指標(biāo)，圖5、圖6 為以上10種工況的撞擊力時(shí)程曲線。

圖5 不同工況下防撞設(shè)施一撞擊力時(shí)程曲線圖

圖6 不同工況下防撞設(shè)施二撞擊力時(shí)程曲線圖

通過(guò)以上兩種防撞組合措施的模擬結(jié)果和前文章節(jié)進(jìn)行對(duì)比，可以看出：對(duì)于“泡沫鋁+鋼板”防撞組合措施下的5種工況，分別對(duì)應(yīng)著960kN、1060kN、1350kN、2260kN、2510kN 的撞擊力峰值；對(duì)于“混凝土+鋼板”防撞組合措施下的5 種工況，分別對(duì)應(yīng)著990kN、1080kN、1520kN、2870kN、4400kN 的撞擊力峰值；而對(duì)于無(wú)防撞措施下的5種工況，分別對(duì)應(yīng)著1050kN、1230kN、1720kN、2900kN、5800kN 的撞擊力峰值。因此，防撞組合措施一的效果比防撞組合措施二顯著。

7 結(jié)語(yǔ)

車輛速度較高時(shí)，車橋碰撞產(chǎn)生的撞擊力峰值要遠(yuǎn)大于規(guī)范值；

車橋碰撞產(chǎn)生的撞擊力峰值與車輛質(zhì)量沒(méi)有必然聯(lián)系；

相同車輛，所載貨物越多，撞擊力次峰值越大；

“泡沫鋁+鋼板”“混凝土+鋼板”這兩種防撞組合措施均能減少車橋碰撞產(chǎn)生的撞擊力；

“泡沫鋁+鋼板”防撞組合措施的效果比“混凝土+鋼板”防撞組合措施顯著。