沈正峰， 陳 燊， 涂勁松

（1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

國民經(jīng)濟發(fā)展越來越依靠于現(xiàn)代交通運輸業(yè)的發(fā)展，橋涵是交通發(fā)展的重要組成部分。目前，雙層橋面布置已被越來越多地使用，它可以充分利用橋梁凈空，減少橋梁寬度，達到良好的經(jīng)濟效益［1］。

混凝土梁橋采用雙層橋面布置始于20世紀(jì)60年代，2005年1月9日建成通車的澳門西灣大橋是一座雙層連續(xù)箱梁跨海大橋，它是連接澳門島與凼仔島的重要交通樞紐。大橋上層橋面設(shè)計為雙向6車道，下層橋面通行兩線輕軌和兩線汽車，主橋設(shè)計為（110＋180＋110）m雙層預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主引橋設(shè)計為四聯(lián)基本跨度為60 m的等高度連續(xù)梁橋，全橋總長1 825m，箱梁內(nèi)安裝有完善的排風(fēng)、防火、消防等設(shè)備設(shè)施，臺風(fēng)期間下層汽車道仍能正常運行［2］。目前對于這種新型結(jié)構(gòu)的箱梁內(nèi)部防撞研究處于初級階段，如何建立箱內(nèi)防撞性能評估體系，是防撞減振設(shè)計亟待突破的課題。本文通過建立車－箱梁有限元模型，利用LS－DYNA軟件進行求解，對碰撞系統(tǒng)進行仿真研究。

1 卡車－箱梁模型的建立

本文采用美國The National Crash Analysis Center Library所提供的F800－v2型卡車［3］，有限元模型如圖1所示。

圖1 卡車有限元模型

卡車長8.582m，車身寬度2.445m，車高3.276m，有限元模型將卡車劃分為35 398個單元，包括質(zhì)量部件、阻尼部件、彈簧部件總計151個部件，車質(zhì)量8.034 6t?？ㄜ嚹Ｐ投x了6種接觸類型，21個接觸，囊括了卡車車輪、車軸、車架、車廂之間的全部接觸，甚至細(xì)微地定義了螺栓、彈簧等小部件之間的接觸見表1所列。

表1 卡車模型的接觸類型與數(shù)目

根據(jù)現(xiàn)有文獻資料建立22m箱梁節(jié)段有限元模型［4－7］，約束箱梁兩端節(jié)點所有自由度。通過前處理器處理，車－橋模型如圖2所示。

根據(jù)文獻［8－9］所述，大型車輛和小型車輛對護欄初始碰撞角有所區(qū)別。國外通過事故調(diào)查分析，大型車輛的碰撞角度為10°～25°，例如美國規(guī)范規(guī)定重型貨車的碰撞角度為15°，歐盟EN1317－1998規(guī)范規(guī)定重型貨車的碰撞角度為8°～15°。建立10°、15°、20°的初始碰撞角有限元模型，同時賦予卡車60、70km／h 2種初始速度，定義卡車與箱梁之間接觸為CONTACTAUTOMATIC－SURFACE－TO－SURFACE，賦予摩擦系數(shù)為0.5，計算時間為0.45s，時間步長為0.67，接觸剛度為0.5，分析卡車撞擊對箱梁的影響。

圖2 卡車－箱梁有限元模型

2 分析結(jié)果

由文獻［3］可知箱梁受到小型汽車撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)以及汽車的行駛軌跡對于箱內(nèi)車輛行駛安全的重要性。由于卡車體積和質(zhì)量比小型汽車大，護欄的強制導(dǎo)向性難度也會比較大，這導(dǎo)致卡車車身和護欄之間的作用也比較劇烈。同時，由于箱內(nèi)空間狹小，卡車的行駛軌跡對于箱內(nèi)其他車輛的安全行駛極為重要。

2.1 應(yīng)力分析

通過6個工況的計算，可以得到箱梁的等值應(yīng)力云圖。圖3所示為10°、60km／h工況箱梁受到碰撞的von Mises應(yīng)力時程等值云圖。

為了了解碰撞過程中不同角度和速度對箱梁應(yīng)力的影響，提取20°、70km／h工況下箱梁在卡車沖擊作用下的von Mises應(yīng)力時程等值云圖，如圖4所示。

從圖3可以看出，在t＝0.002 5s，汽車和護欄處于非接觸狀態(tài)，箱梁兩端分布很大的應(yīng)力，在欄桿尖端達到0.41MPa，箱梁其他部位應(yīng)力分布十分均勻。碰撞側(cè)護欄從汽車接觸開始即出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，達到1.06MPa（t＝0.105s），很快在碰撞側(cè)護欄擴散分布，整個箱梁除了伸出的翼緣沒有出現(xiàn)很大的應(yīng)力，其他部位都出現(xiàn)很大的瞬時應(yīng)力，并反復(fù)出現(xiàn)，尤其是上下板和腹板連接部位，這和文獻［3］中的小型汽車碰撞出現(xiàn)的應(yīng)力集中部位類似，文獻［3］的局部應(yīng)力集中更加突出，但沒有卡車撞擊影響范圍大。從大小上來說，在相同條件下，卡車撞擊箱梁產(chǎn)生的應(yīng)力和影響范圍要遠(yuǎn)大于小型汽車。

從圖4可以看出，碰撞前期箱梁出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置沒有改變，但是從t＝0.135s開始，應(yīng)力集中位置不斷地往護欄集中，應(yīng)力達到2.5MPa，在t＝0.175s時刻，護欄的應(yīng)力集中變得極為突出，應(yīng)力達到7.39MPa，而且主要集中在護欄上部。整個碰撞后期護欄受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于箱梁其他部位，并在t＝0.267 5s出現(xiàn)微裂縫，說明卡車與護欄作用很強烈，混凝土護欄部分單元失效。當(dāng)t＝0.447 5s，相對于其他部位，護欄與底板的連接部位應(yīng)力變大，應(yīng)力集中明顯，這對箱梁安全造成很大的危害。

綜上所述，卡車對箱梁的沖擊破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小型汽車，初始角度和速度都影響著箱梁的安全。由于現(xiàn)實中初始碰撞角度無法人為控制，所以在設(shè)計中要選擇合適的護欄形式，強化護欄的視線導(dǎo)向性。對于設(shè)計碰撞速度更是要嚴(yán)格控制，從上述分析結(jié)果可以看出，當(dāng)初始碰撞速度達到70km／h，護欄就出現(xiàn)局部混凝土單元失效，如果再考慮上層橋面行車等不利影響，整座橋的可靠度將不能得到保證。

圖3 10°、60km／h工況下箱梁von Mises應(yīng)力時程等值云圖

圖4 20°、70km／h工況下箱梁von Mises應(yīng)力時程等值云圖

2.2 卡車碰撞軌跡分析

由于卡車遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于護欄，護欄在強制引導(dǎo)卡車速度方向時，卡車上部車廂可能會產(chǎn)生傾斜，加大車身與護欄的摩擦作用，甚至威脅到腹板安全；同時，卡車結(jié)構(gòu)分車頭和車身，車頭速度的改變并不能立即傳到車身，而是通過連接件的傳遞，在慣性作用下，車身將對護欄產(chǎn)生二次沖擊。圖5所示為卡車在15°、70km／h工況下的行駛軌跡。

由于卡車車頭和車身在行駛平面可以轉(zhuǎn)動，所以在碰撞時將會和小型汽車有很大的不同。通過定義加速度計，提取卡車車頭和車身在整個碰撞過程的速度變化曲線如圖6所示。

圖5 卡車行駛軌跡

圖6 各個工況卡車車頭和車身合速度

從圖6可以看出，卡車的圖示初始速度和所定義的速度完全相同。在相同的碰撞角度下，車頭和車身速度的最終減少量基本相同，車頭速度的波動性比車身大；初始碰撞角度越大，速度的減少量越大，而且速度減少量隨角度增大越來越敏感。車身的速度減少時間點明顯滯后于車頭0.03s，這將會造成車頭和車身連接部位的強烈作用，對卡車結(jié)構(gòu)的安全也會是一個很大的考驗。

2.3 碰撞力分析

卡車車身較長，若有載重，慣性大，護欄改變其速度的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小型轎車。

圖7所示為卡車在6個工況下的碰撞力－時間曲線。由圖7可知碰撞力時程曲線的變化經(jīng)歷了4個階段。

圖7 各工況碰撞力－時程曲線

（1）為了防止模型發(fā)生初始穿透，建模時卡車和底板有一定的距離，當(dāng)賦予卡車一定的初始速度，卡車將做類似于平拋的自由落體運動。當(dāng)達到0.025s左右，卡車車輪開始接觸底板，和箱梁發(fā)生第1次碰撞，伴隨著大約0.02s的車輪變形過程，即第1個波峰。由于卡車豎向（Z軸方向）碰撞速度和重力有關(guān)系，所以6個工況碰撞力的第1個波峰大致一樣。

（2）卡車車頭與護欄的碰撞，這個碰撞過程有2個峰值，分別是車頭初次碰撞峰值和由車身傳遞到車頭的二次碰撞峰值。車頭在撞擊護欄時刻，產(chǎn)生變形，碰撞力不斷增加，由于后面車身仍保持一定的慣性向前行駛，最終通過車頭二次撞擊護欄出現(xiàn)第2個峰值。碰撞力大小符合在相同角度下，速度大碰撞力略大；相同速度下，角度越大碰撞力越大的規(guī)律。

（3）車頭與護欄的不斷作用。圖6說明卡車與護欄的作用十分的劇烈，護欄對卡車的速度導(dǎo)向作用反力較大。

（4）卡車車頭速度方向的轉(zhuǎn)變。這表現(xiàn)為碰撞力在各個曲線中出現(xiàn)波谷，但是緊接著又出現(xiàn)波峰，說明車身部分將接觸到護欄，并產(chǎn)生很劇烈的摩擦作用，車身有可能傾斜接觸到腹板。

3 結(jié) 論

（1）卡車撞擊箱梁在頂板變截面產(chǎn)生的應(yīng)力較大；在碰撞的后期，20°、70km／h工況下，混凝土護欄的應(yīng)力超過其他任何部位。

（2）碰撞過程中，車頭速度的波動性比車身大；初始碰撞角度越大，速度的減少量越大，而且速度減少量隨角度增大越來越敏感。

（3）整個碰撞過程可以分為4個階段，每個階段卡車都會與護欄有很強烈的作用，同時由于卡車的車頭和車身柔性連接，造成碰撞的二次性，而且后期車身導(dǎo)致的撞擊力二次峰值不可忽視。

［1］ 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2001：89－93.

［2］ 張 強.澳門西灣大橋設(shè)計的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［3］ 張 鵬，周德源，馮英攀.新型剛性護欄防撞性能的數(shù)值模擬［J］.中國公路學(xué)報，2009，22（2）：31－36.

［4］ 姚良云，陳 燊.雙層連續(xù)箱梁橋開孔箱內(nèi)壁車輛碰撞仿真研究［J］.福州大 學(xué)學(xué)報：自然科 學(xué)版，2012，40（5）：640－645.

［5］ JTG D80－2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］ 黃紅武，劉正恒，鐘志華.汽車與高速公路護欄碰撞的計算機仿真［J］.機械工程學(xué)報，2003，39（11）：130－135.

［7］ 李 耀，李和平，巫緒濤.混凝土HJC動態(tài)本構(gòu)模型的研究［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報：自 然 科 學(xué) 版，2009，32（8）：1244－1248.

［8］ 姚啟明，孫 利，李明飛.汽車沖擊防撞護欄的運動響應(yīng)分析［J］.沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，2002，18（4）：250－253.

［9］ 賴 躍.重型車輛與半剛性護桿碰撞的有限元分析［D］.上海：同濟大學(xué)，2006.