车桥撞击动力学分析模型

］ １ ６ － 。 的能量交换 ， 并 会 伴 随 结 构 的 局 部 损 伤 或 破 坏［
０ 引 言
近年来 ， 中国 交 通 运 输 事 业 迅 猛 发 展 ， 船 舶、 车 辆对桥梁 结 构 撞 击 事 件 屡 有 发 生 。 车 桥 撞 击 力 计 算、 桥梁的动态力学性能 、 耐撞设计及防撞设施应用 等问题已引起工程技术人员及学者的广泛关注 。
Ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｏ ｆ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｐ ｇ
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Ｎ Ｖｕ ＝ ０． １ ３ ４× （ １＋０． ０ ７ ２ ５ ）槡 Ｄ２ ＋ ｆ ｃ Ａ Ａｓ ｆ ｖ ｖ ｙ Ｄ ０． ４ １ ８ ｓ Ｖｕ ＝
摘 要： 针对频发的车桥撞击事故 ， 采用落锤冲击试验装置 ， 进行了钢筋混凝土圆形桥墩模型在静 建立了车桥撞击动力学分析模型 。 试验结果表明 ： 桥墩撞击 力及侧向撞击荷载下的力学性能试验 ， 基于达朗贝尔原 理 建 立 的 车 桥 一 维 碰 撞 的 单 自 由 荷载下破坏模式与撞击力及材料动态性能相关 ； 度、 双自由度模型求解撞击力与试验值基本吻合 ， 峰值及平均值误差分别为 －１ ５． ４％ 和 １ ４． ５％ 。 关键词 ： 桥梁工程 ； 车桥碰撞 ； 钢筋混凝土桥墩 ； 缓冲器 ； 应变率 中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ３． ２ ６ 文献标志码 ： Ａ
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１ 试验方法
在前 期 桥 墩 撞 击 试 验 的 基 础 上 ， 本文进行了钢 筋混凝土圆形桥墩静力及撞击对比试验研究 。 桥墩 模型由承台 、 墩身和盖梁 ３ 部分组成 ， 鉴于试验条件 不 考 虑 桥 墩 实 际 的 桩 －土 效 应 ； 采用承受轴 的限 制 ， 压力的一端固定 、 一端简支的约束状态 ； 静力试验由 千斤顶按步长 ０． 撞击试验由落锤 （ 质量 ｍ ５ｔ加 载 ； ） 为５ 模拟车辆荷载侧向撞击桥墩 ， 并施加轴压 ４ ２ｋ ｇ ） ； 。 力模拟桥梁上部荷载 （ 图１ 试验材料参数见表 １
强度／ＭＰ ａ 强度／ＭＰ ａ
Ｖｕ ＝
本文设计几 鉴于城市桥梁 尺 寸 要 求 的 局 限 性 ， 外部为矩形薄 种薄壁钢管组合结 构 的 小 型 缓 冲 器 ： 壁钢管 ， 内填充 圆 形 薄 壁 钢 管 耗 能 元 件 。 缓 冲 器 固 定在桥墩表面 ， 在撞击过程中 ， 通过其塑性压缩变形 吸收落锤冲击能量 ， 延长撞击作用时间 ， 从而对桥墩 起到防护作用 ； 同时 又 可 模 拟 汽 车 前 部 保 险 杠 的 变 形刚度 。 缓冲器构造如图 ２ 所示 。
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ８ ８ ７ ９ ２ ０ １ １ ０ ６ ０ ０ ５ ４ ０ ６ － － －
车桥撞击动力学分析模型
３ ３ ， 樊文才１， 张 南２， 阎卫国１，
（ 江苏 南京 ２ 江苏 南京 ２ １．江苏省交通科学研究院 ， １ １ １ １ ２； ２．南京工业大学 土木工程学院 ， １ ０ ０ ０ ９； ） 江苏 南京 ２ ３．长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室 ， １ １ １ １ ２
收稿日期 ： ２ ０ １ ０ １ １ １ ８ － －
， ： 作者简介 ： 樊文才 （ 男， 山东菏泽人 ， 助理工程师 ， 工学硕士 ， １ ９ ８ ５ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｆ ａ ｎ ｗ ｅ ｎ ｃ ａ ｉ ２ ０ ０ ７＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ。 －）
第 ６ 期 樊文才 ， 等： 车桥撞击动力学分析模型 车桥撞击的力学研究涉及到多种因素 ： 桥墩构造 、 撞 击能量和桥墩防 护 等 。 为 此 ， 本文基于达朗贝尔原 计算车桥撞击力 。 理，
（ ，Ｎ ， ； １． Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ １ １ １ ２， Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ ｇ ｐ ｊ ｇ ｇ ，Ｎ ，Ｎ ， ； Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ ０ ０ ０ ９， Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ３．Ｋ ｅ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ｇ ｙ ｊ ｇ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ Ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ Ｈ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ＆Ｄ ｉ ａ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｏ ｆ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ － ｇ ｐ ｇ ｐ ｇ ｇ ｙ ｙ ，Ｎ ， ） ｏ ｆ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ １ １ １ ２， Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｐ ｊ ｇ ｇ ｙ
２ 钢筋混凝土圆形桥墩撞击破坏模式
２． １ 钢筋混凝土圆形桥墩静力性能 《 对于钢筋混凝土圆形截面正截面强度计算 ， 公 （ 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 》 Ｊ Ｔ Ｇ ） （ ） 以下简称 《 桥规》 推 荐 了 一 种 算 法： 沿 Ｄ ６ ２—２ ０ ０ ４ 圆周均匀分布的单 根 钢 筋 等 效 为 薄 壁 钢 环 ， 受压区 混凝土采用矩形应力图 。
图 １ 落锤撞击桥墩试验模型 表 １ 桥墩模型材料参数 试件 墩－ １ 墩－ ２ 墩－ ３ 纵筋 ８ １ ６ Φ １ ２ Φ １ ６ １ ２＠８ ０ Φ ３ ７ ０ ５ １． ３ ３ ０ ０ 箍筋 钢筋抗拉 混凝土抗压 轴力／ ｋ Ｎ ２ ６ ０
对于轴力 Ｎ 作 用 下 钢 筋 混 凝 土 圆 形 截 面 斜 截 面强度 ， 目前通常 认 为 由 轴 压 贡 献 值 ＶＮ 、 混凝土贡 ］ 献值 Ｖｃ 及箍筋贡献值 Ｖｓ 这 ３ 部分组成 ， 文献 ［ １－ ２ 建议的经验公式为
第３ １ 卷 第６期 ２ ０ １ １年１ １月
长安大学学报 （ 自然科学版 ） ｏ ｕ ｒ ｎ ａຫໍສະໝຸດ Baiduｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ａ ｎ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ） Ｊ ｇ ｙ（
Ｖ ｏ ｌ ． ３ １ Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ １
图 ２ 缓冲器构造
侧向 撞 击 试 验 步 骤 如 下 ： ①变化缓冲器种类及 落锤冲击高度 ， 对比不同缓冲器的耗能效果 ， 以及对 桥墩动态力学响应 的 影 响 ； ②在落锤不同冲击高度 得到撞击力 、 落 锤 加 速 度、 钢筋及混凝土应变时 下， 程曲线及桥墩破坏 模 式 等 ， 研究桥墩在侧向撞击下 的动态力学性能 。 在 试 验 基 础 上 ， 分析钢筋混凝土 缓冲器的减撞和耗能效应 ， 圆形桥墩撞击破坏机理 ， 为桥墩耐撞性设计和防护提供试验依据 。 由于 材 料 应 变 率 效 应 ， 撞击下桥墩动态响应与 静载状态有所不同 ， 随着落锤冲击速度的提高 ， 桥墩 对其 裂 缝 发 展 及 破 坏 模 式 产 生 显 著 局部损伤严重 ， 影响 。
： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｏ ｎ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｉ ｎ － ｙ ｇ ｙ ｉ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｆ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｉ ｈ ｔ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｅ －ｗ － ｐ ｐ ｇ ｙ ｇ ｇ ｐ ， ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ｕ Ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｏ ｆ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔａ ｙ ｙ ｐ． ｑ ｐ ｉ ｅ ｒ ｒ ｏ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｆ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｐ ｐ ｐ ｐ ｙ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ｄ ｅ ｒ ｅ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ａ ｎ ｄ － － － ｐ ｙ ｙ ｑ ｇ ｇ ｔ ｗ ｏ ｄ ｅ ｒ ｅ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｏ ｎ ｅ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｄ Ａ ｌ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ － － － － － ｇ ｐ ， ｌ ｅ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｉ ｎ ｃ ｉ ｄ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｒ ｏ ｂ ａ ｂ ｌ ｈ ｅ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｅ ａ ｋ ａ ｎ ｄ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ａ ｒ ｅ －１ ５． ４％ ａ ｎ ｄ １ ４． ５％． ５ ｐ ｐ ｙ ｔ ｐ ｇ ， ， ７ｆ ｉ ｓ １ ２ｒ ｅ ｆ ｓ ． ｔ ａ ｂ ｓ ｇ ：ｂ ；ｖ ；ｒ ；ｂ ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｒ ｉ ｄ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｉ ｅ ｒ ｕ ｆ ｆ ｅ ｒ ｇ ｇ ｇ ｇ ｐ ｙ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ 由于 足 尺 试 验 条 件 的 限 制 ， 研究这一课题主要 采用混凝土构件模型的落锤冲击试验及软件仿真分 析， 目前对研究结构动力性能及设计参数极为有效 。 大量混凝土结构冲 击 试 验 表 明 ， 车桥撞击是个非常 复杂的非线性动态 响 应 过 程 ， 短时间内将发生剧烈