车辆撞击作用下桥梁损伤破坏与基于性能的抗撞设计方法

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随着经济高速发展和交通强国的建设,我国车辆和公路桥梁的总量在增加,相应的车辆-桥墩碰撞事故也在不断发生,对交通运营和生命安全造成巨大损失。因此,开展车辆撞击作用下桥梁损伤破坏分析,进一步提出抗撞设计方法,对保障我国城市交通安全和生命财产具有一定的工程价值和科学意义。基于精细化数值模拟,本文开展了车辆撞击作用下桥梁整体结构的破坏过程、动态响应和损伤破坏的研究工作,进一步建议了基于性能的抗撞设计方法。主要的研究内容和结果如下:(1)基于缩尺RC梁落锤冲击试验和足尺实车撞击试验,验证了混凝土(*MAT72 R3)模型、钢筋(*MAT3)模型和数值算法的可靠性;基于原型重型货车撞击试验,验证了车辆有限元模型的合理性。(2)采用已验证的材料模型和数值算法,开展了车辆撞击下非连续双柱式桥墩和三柱式桥墩桥梁整体结构的数值模拟,分析了桥梁的损伤破坏过程和动态响应。结果表明:车辆-桥梁撞击过程分为三个阶段,即保险杠撞击、引擎撞击和货物撞击;引擎撞击是导致双柱式桥墩桥梁结构整体倒塌的主要因素;相对于双柱式桥墩桥梁,三柱式桥墩增加了桥梁结构的整体性和延性,能够有效降低桥梁结构发生整体倒塌的概率。(3)提出了基于桥墩动态抗剪需求和动态抗剪承载力比值的损伤等级评估指标,对三种车辆撞击作用下双柱式桥墩桥梁的损伤等级进行了定量评估。结果表明:0<λ’D≤0.55为轻度损伤;0.55<λ’D≤1.0为中度损伤;1.0<λ’D≤1.1为重度损伤;λ’D>1.1为桥梁倒塌。(4)基于损伤等级,建议了车辆撞击作用下桥墩抗撞性能等级,即性能等级1(正常使用)、性能等级2(生命安全)和性能等级3(防止倒塌);根据道路重要性等级、车辆撞击速度和质量,划分了桥墩抗撞性能目标。进一步建议了相关的抗撞构造措施和桥墩抗撞设计流程。
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