桥墩车撞动力响应分析

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车辆与桥墩发生撞击的事件屡见不鲜,其造成的后果往往较为严重,因此对桥墩受车辆撞击的动力响应问题进行研究显得尤为迫切。本文主要利用有限元技术研究车辆与桥墩的撞击问题。以郑州四环线某桥梁为工程背景,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了桥梁有限元模型,选取由NCAC开发的F800双轴卡车、C2500皮卡车和HGV重型卡车为车辆模型,对桥墩受撞击的动力响应问题进行了探讨。主要工作内容和结论如下:(1)基于有限元技术,采用ANSYS/LS-DYNA建立了简支梁桥模型,阐述了车桥耦合模型的相关建模细节,并建立与文献[1]落锤试验对应的有限元模型,从而验证车桥耦合碰撞分析模型材料本构的合理性。结果表明:选择合适的材料本构、碰撞接触算法及网格划分尺寸,便可以准确地对混凝土结构受撞后的受力特性进行模拟。(2)为了比较考虑桩土作用与否时桥墩受车辆撞击动力响应的差异,利用等效嵌固法分别建立了3倍、5倍和8倍嵌固深度的桩土模型,同时建立了等效弹簧和有限域土体桩土模型。另外,将桥墩底端进行固结,建立了不考虑桩土作用的墩底固结模型。设置车辆撞击速度分别为60km/h、80km/h和100km/h,车辆重量分别为8t、10t和12t,撞击方向为横桥向。计算结果表明:由桩土模型与固结模型所得动力响应差异较大,以不考虑桩土作用的计算结果指导设计会使结构偏于不安全。同时由各桩土模型所得结果之间也存在一定差异,从工程设计角度而言,推荐使用8倍嵌固模型进行计算。就计算精度而言,有限域土体模型、等效弹簧模型和3倍嵌固模型较为接近。(3)建立了简化的单墩模型,从车辆与桥墩两个方面进行参数分析。车辆参数为:卡车车厢货物刚度、撞击偏心距和车辆类型。桥墩参数为:墩径、墩高、桥墩截面形状、纵筋配筋率和箍筋间距。计算结果表明:1)由车厢货物刚度引起的撞击力局部峰值变化受撞击速度的影响。当撞击速度等于100km/h时,增加货物刚度并不会造成局部峰值的明显增大。而当速度增加至120km/h时,由车厢货物产生的局部撞击力峰值变得显著,且这种情况随车重的增大而变得越显著。2)各个车辆偏心距工况所得撞击效果差异巨大,这是由于各偏心距工况下,与桥墩产生碰撞接触的车辆构件不同,故所得撞击效果也会不同。3)C2500皮卡、F800卡车和HGV重卡产生的撞击效果各不相同,且随着撞击速度的增加,这种差异更为明显。4)桥墩直径直接影响桥墩抗车撞承载力,适当降低桥墩高度、增加纵筋配筋率和减小箍筋间距可以提高桥墩抗车撞承载力。另外,方形和圆形截面形式的桥墩受撞击后的破坏模式相似,均以受撞位置出现剪切破坏为主。
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