蜂窩夾層結構貨車

摘 要：基于蜂窩夾層結構良好的力學性能和耐撞性能，以貨車撞擊墩柱為背景，利用LS-DYNA軟件，以六邊形蜂窩結構作為橋墩保護裝置，結合車速為60km/h，分析撞擊后的撞擊力——時程曲線、應力圖、墩頂位移量、能量轉換，驗證蜂窩夾層結構具有良好的防撞性能。

關鍵詞：蜂窩夾層結構；沖擊模擬；車墩柱碰撞模擬；動態響應分析文章編號：2095-4085（2024）04-0220-03

0 引言

大量的跨河跨海大橋和立交橋作為聯系陸上的交通紐帶，為促進全國各個地區的經濟文化交流提供了極大的便利。然而，車輛、船舶撞擊橋墩造成的影響巨大，造成的損失不可估量。因此，我們必須采取有效措施，消除或減少因車輛、船舶撞擊橋梁而引發的事故，以保障人們的生命財產安全。現有的防撞結構為整體結構，長度較長，生產和安裝均不方便，導致成本較高，難以推廣。因此，開發一種既能很好地保護橋墩又能降低成本的新型橋墩防撞裝置是十分必要的。

2020年，宣超［1］等人基于有限元軟件LS-DYNA模擬不同卡車質量在不同速度下撞擊橋墩，分析碰撞過程中的動力響應。

2019年，單成林［2］等采用鋼-聚氨酯夾層板設計了一種圓端型曲面防撞套箱，通過防撞套箱進行船舶撞擊橋梁分析模擬。通過分析發現撞擊力的峰值變化以及形變能夠滿足設計要求，起到較好的防撞效果。

2022年，艾大利［3］研究了泡沫鋁夾心板對橋墩防撞的影響，通過LS-DYNA有限元軟件分析碰撞時的撞擊力和墩頂位移來驗證防撞裝置的可靠性。

2020年，洪福林［4］以正六邊形蜂窩結構為研究對象，通過對變形基礎理論進行分析，以蜂窩夾層結構為材料進行材料研究和分析，得出蜂窩夾層結構在板厚較厚的情況下不容易變形。另外，通過有限元分析得出蜂窩夾層結構抗拉性能強，豎向抗壓性能比橫向好。

2021年，李娜［5］通過負泊松比蜂窩鋼質防車撞結構，采用數值仿真方法開展防車撞結構的耐撞性能研究。通過仿真分析得到碰撞結構的參數信息，得出最佳參數配置能夠使防撞結構吸收動能更多。碰撞力下降，撞擊深度增大，能使被撞擊材料的利用得到更大程度的體現。

1 車-蜂窩-墩柱模型的建立

1.1 車輛模型的選取

日常生活中主要有三類車型，分別為小轎車、客車和貨車。大部分車橋碰撞主要由貨車引起，由于貨車自重大，所以慣性也大，受貨車性能影響，在行駛中很難快速制動，所以貨車撞擊橋墩影響巨大，輕則墩柱開裂，重則橋梁坍塌。本文主要研究貨車對橋墩加裝和不加裝蜂窩夾層結構撞擊過程中產生的影響。

本文選用的車輛模型為大型貨車，車輛總長為10.5m， 車身寬為2.5m， 高為3.5m。對車輛進行簡化處理，主要由車頭、車廂、底盤和車輪四個部分組成。其中車頭、車廂和底盤采用SHELL163殼單元建立模型，車頭碰撞區單元尺寸為50mm，車廂單元尺寸為100mm，總單元數為35481個。

1.2 混凝土模型的選取

橋墩模型采用蘇州市某立交橋2號橋梁為原型進行有限元建模。墩柱截面尺寸為1.8m正方體，墩柱高6m，承臺長寬高為5m×2.5m×2m的立方體；承臺下部樁基采用固結的方式簡化處理；橋墩上部結構簡化為均布力施加于橋墩頂部，采用邊長為2m的立方體質量塊來模擬均布荷載。

混凝土強度為C30，縱筋選用HRB400級，直徑為28mm，共15根，箍筋選用HPB300級，直徑為8mm。橋墩混凝土采用SOLID164實體單元模擬，縱筋和箍筋采用BEAM161梁單元模擬。墩柱網格尺寸為60mm，承臺網格尺寸為100mm，整個橋墩單元數為171 456個。

混凝土作為一種復雜的復合材料，由于受骨料和物理力學性能的變化影響，確定混凝土材料參數及本構模型十分困難。目前常用于定義混凝土本構關系的模型有HJC本構模型、TCK本構模型、Britle Damage本構模型和彈塑性蓋帽本構模型。其中H彈塑性蓋帽本構模型（CSCM）考慮到混凝土的損傷、材料的硬化，在低速高能的碰撞問題上，與實際情況的吻合性好，能夠更真實地反映混凝土塑性變形。因此，混凝土本構模型采用CSCM本構模型，輸入關鍵字*MAT_CSCM_CONCRETE定義混凝土本構，鋼筋采用彈塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，鋼筋參數（見表1）。

1.3 蜂窩夾層結構模型的選取

利用LS-DYNA建立蜂窩夾層結構模型，單個正六邊形蜂窩胞元高30cm，長9cm，整體尺寸為1.8m×1.8m×0.3m的長方體。上下面層采用SHELL163殼單元進行設置，材料本構模型設置為（*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）；鋁蜂窩材料采用SOLID164實體單元設置，模型采用26#（*MAT_HONEYCOMB）； 蜂窩結構設置為單面接觸（*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE）。

1.4 車-蜂窩-橋模型的耦合

本文通過建立貨車與橋梁的接觸關系來實現車橋的耦合關系，貨車與橋墩發生碰撞時貨車不斷發生變形，車輛各部件間設置為單面接觸，輸入*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，貨車與蜂窩、蜂窩與橋墩間設置為面面接觸，輸入*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，摩擦系數為0.3。同時為了確保模型數值的可靠性，沙漏能占總能量比需小于10%才能保證計算結果可靠。

2 模擬結果與分析

2.1 撞擊力分析

本文通過不同速度的大貨車對墩柱的碰撞過程進行LS-DYNA有限元分析，速度分別為60km/h和80km/h，大貨車正撞墩柱（90°），有限元分析步計算時長為0.3s， 結構模型碰撞（見圖1）。

貨車質量為8t時，在未安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊的情況下，不同速度的水平撞擊力（見圖2）。由圖2可知：貨車行駛速度越大，水平撞擊力也越大。在60km/h時，t=0.019s，撞擊力最大值為7 970kN。撞擊力圖形都成雙峰狀，車墩柱撞擊接觸后，撞擊力瞬間增大到最大值，而后貨車發生變形，撞擊力下降；貨車變形后繼續撞擊，撞擊力增大，最后貨車速度變為0，撞擊力減小至0，整個撞擊過程持續時間為0.12s。

貨車質量為8t時，在安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊的情況下，不同速度的水平撞擊力（見圖3）。由圖3可知：貨車行駛速度越大，水平撞擊力也越大。在60km/h時，t=0.025s，撞擊力最大值為5 170kN。貨車撞擊橋墩時，撞擊力不斷增大到最大值，與未安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊相比，速度為60km/h時，撞擊力減少了35%，撞擊時間延長了32%，證明蜂窩夾層結構具有良好的緩沖性。貨車與蜂窩夾層結構擠壓產生碰撞后，蜂窩夾層結構發生變形，吸收碰撞后產生的撞擊力，而后與橋墩擠壓碰撞，重新傳遞給橋墩。整個撞擊過程說明蜂窩夾層結構能夠有效延長撞擊時間，減少橋墩受到的撞擊力。

2.2 能量分析

貨車質量為8t時，貨車與墩柱發生碰撞過程中，總能量保持不變，動能逐漸變小，車頭的壓縮變形和蜂窩的變形使得內能逐漸變大，動能逐漸轉化為內能，同時產生滑移能和沙漏能。總能量=內能+動能+滑移能+沙漏能，沙漏能分別占總能量的2.9%、 1.9%、 1.8%和1.1%，遠低于總能量的10%。驗證了車橋模型模擬的準確性，計算結果具有可靠性。

2.3 位移分析

貨車質量為8t時，在未安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊的情況下，由下圖（圖4）可知，車墩柱發生碰撞后，墩頂開始產生位移，在速度為60km/h時，t=0.25s， 墩頂最大位移為1.64mm。

貨車質量為8t時，在安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊的情況下，由下圖（見圖5）可知，車墩柱發生碰撞后，墩頂開始產生位移，在速度為60km/h時，t=0.21s， 墩頂最大位移為1.26mm。

由上圖未安裝與安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊對比可知，安裝蜂窩夾層結構防撞擋塊對比未安裝時，在速度為60km/h時，墩頂水平位移減少了23%。

3 結語

（1）通過LS-DYNA有限元軟件建立貨車橋墩和蜂窩夾層結構的有限元模型，進行撞擊有限元模擬。

（2）結合安裝蜂窩夾層結構的墩柱與未安裝的墩柱對比分析撞擊力時程曲線得出：安裝蜂窩夾層結構的墩柱能減少至少30%的撞擊力，延長10%以上撞擊時間，減少23%的墩頂位移。

（3）通過分析不同速度下貨車撞擊橋墩的應力應變、能量轉換，得出蜂窩夾層結構能有效減少墩柱受到的沖擊損傷。

參考文獻：

［1］宣超，彭可可.基于LS-DYNA的重型車輛撞擊方形橋墩數值模擬分析［D］.南昌：華東交通大學，2020.

［2］單成林，黃兆亮.圓端形夾層結構橋墩防撞浮箱的碰撞性能分析［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2019，47（2）：113-119.

［3］艾大利.橋墩泡沫鋁夾芯板防撞構造性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2022.

［4］洪福林.正六邊形蜂窩結構的彈—塑性本構關系研究［D］.廣州：廣州大學，2022.

［5］李娜.橋墩負泊松比蜂窩防車撞結構耐撞性與優化設計研究［D］. 武漢：武漢理工大學，2021.