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铁路桥限高防护架的建设是对铁路桥进行防护,避免桥下过往车辆的碰撞,保障铁路运输的安全运行。《铁路运输安全保护条例》规定:“下穿铁路桥梁、涵洞的道路,应当按照国家有关标准设置车辆通过限高标志及限高防护架。”但是很多防护架没有有效地抵抗汽车的碰撞而被撞断,甚至倒塌,给铁路桥带来了安全隐患。这些防护架只起到了警示作用,没有实质性的防护作用,因此防护架的结构设计引起了铁路工务部门的关注。
钢管混凝土是一种具有承载力高,塑性和韧性好,施工方便,抗冲击的新型组合材料,已经在工业和民用建筑等多项工程中应用并取得了较好的经济效益。由于其工作性能的优势,选取钢管混凝土作为铁路桥限高防护架的设计材料。对钢管混凝土限高防护架进行冲击荷载响应分析,了解碰撞力、应力、位移、速度、加速度和能量等参数的变化特点,可为防护架的设计提供理论依据。
本文应用ANSYS/LS-DYNA软件对钢管混凝土防护架与汽车的碰撞过程进行了数值模拟。分析了钢管混凝土防护架在碰撞中的变形特征以及薄弱部位的应力变化;比较了钢管和钢管混凝土两种结构防护架在碰撞中的碰撞力、碰撞面位移、速度、加速度和能量传递分析;最后通过改变影响钢管混凝土结构性能的套箍系数参数(主要研究钢管管壁厚度和核心混凝土强度),分析了钢管混凝土防护架的动力响应变化。
数值模拟结果表明:限高防护架横梁的碰撞面变形比较明显,发生了较大程度的内凹现象;立柱的变形最小,能够抵抗更大的冲击荷载;结构的薄弱部位在内侧、外侧横梁的中部和侧一、侧二支撑管节点部位,并且这些薄弱部位的应力变化很大;与钢管防护架相比,钢管混凝土防护架碰撞面的位移更小,能承受更大的碰撞力,具有更好的吸能效果;钢管混凝土防护架随钢管管壁厚度的增加,碰撞力会增大,碰撞面的位移会减小,加速度的幅值更小,但吸能效果会降低;随着核心混凝土强度的提高,碰撞面的位移也会减小,碰撞力也会增大,防护架吸能效果也稍微提高,但是核心混凝土强度的改变带来的动力响应不及钢管管壁厚度的变化引起的动力响应明显。