孫乃昭 拜偉

【摘要】該文對(duì)四車位的三層組合網(wǎng)架公路梁橋在撞擊力作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題，利用非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖嗀NSYS/LS-DYNA進(jìn)行了研究。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算，分析了該橋在不同撞擊力作用下時(shí)對(duì)組合網(wǎng)架的影響。結(jié)果表明：桿件開始響應(yīng)的時(shí)刻比撞擊力開始作用的時(shí)刻相對(duì)滯后；破壞時(shí)構(gòu)件失效的順序?yàn)椋合仁巧舷伊?、橋面板，接著是豎桿和上腹桿，上述桿件破壞后，因中層弦桿和下層桿仍為雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，剩余的部分還具有一定的承載能力；最后的破壞模態(tài)為撞擊塊局部穿透網(wǎng)架并產(chǎn)生一定范圍的塑性大變形區(qū)域。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)工程；沖擊動(dòng)力響應(yīng)；破壞模態(tài)；三層組合網(wǎng)架

一、計(jì)算模型

本文采用ANSYS/LS-DYNA非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦蜻M(jìn)行沖擊動(dòng)力仿真分析。模型采用四車位的正放四角錐三層組合網(wǎng)架梁橋，主跨36米，兩邊跨18米，共72米，其模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

計(jì)算模型中，組合網(wǎng)架的上腹桿、下腹桿、中弦桿、下弦及豎桿的材料均為φ140×10mm的焊接鋼管，本構(gòu)關(guān)系選用ANSYS/LS-DYNA中的材料Material 3，Plastic Kinematic模型，材料密度為7850kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為235MPa，屈服后強(qiáng)化模量為6.18GPa，斷裂失效應(yīng)變?yōu)?0%，桿件選用梁?jiǎn)卧狟eam 161。橋面板、網(wǎng)架的上弦梁、墩蓋梁及橋墩為鋼筋混凝土材料，本構(gòu)關(guān)系仍使用Material 3，Plastic Kinematic模型，其材料密度為2500kg/m3，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.18，屈服強(qiáng)度為35MPa，屈服后強(qiáng)化模量為0.378GPa，斷裂失效應(yīng)變?cè)O(shè)為混凝土最大受壓失效應(yīng)變，即0.38 %。撞擊物為邊長(zhǎng)2米的立方體，塊體下表面距橋面高度為4米，撞擊位置在橋面中心。施加在塊體加速度為9.8m/s2，初始速度依次為0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、…、45 m/s。塊體選用Rigid Material，密度為2500 kg/m3，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.18。采用接觸單元模擬塊體和結(jié)構(gòu)體系之間的撞擊作用。

由于篇幅所限和描述方便，把整個(gè)結(jié)構(gòu)分了具有代表性的4個(gè)區(qū)域（1區(qū)和2區(qū)給出了橋?qū)挿较蚋鳁U件的數(shù)據(jù)，3區(qū)4區(qū)給出了橋長(zhǎng)方向各桿件的數(shù)據(jù)），其編號(hào)見圖2。

二、組合網(wǎng)架的計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)組合網(wǎng)架梁橋在遭受不同速度的塊體撞擊時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)分析后，發(fā)現(xiàn)組合網(wǎng)架梁橋的變形破壞過程有三個(gè)階段。

（一）彈性階段

當(dāng)塊體的撞擊速度較小時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)上的桿件均處于彈性階段，在此階段得到了節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)（見表1）。

由表2可以看出：在塊體的撞擊速度相同時(shí)，橋?qū)挿较蛴捎跊]有墩蓋梁和邊支座的支承，其上各點(diǎn)位移幅值均大于離沖擊點(diǎn)相同距離的橋長(zhǎng)方向的各點(diǎn)；同一方向，隨離沖擊點(diǎn)的距離增加，節(jié)點(diǎn)位移幅值減小，但橋?qū)挿较蚓筒惶杀壤販p小，這是由于網(wǎng)架在此處沒有支座約束而上翹。在塊體的撞擊速度不同時(shí)，位移響應(yīng)幅值隨速度增大而增加。由表3發(fā)現(xiàn)組合網(wǎng)架桿件的軸力響應(yīng)有如下規(guī)律：桿件的軸力響應(yīng)是從撞擊點(diǎn)位置（橋面中心的桿件）開始，接著逐漸向四周傳播，在同一方向上，離撞擊位置越近，桿件的軸力響應(yīng)幅值越大；軸力響應(yīng)較撞擊作用有所滯后，其整個(gè)傳播過程極為短暫，即從橋面中心開始響應(yīng)到響應(yīng)傳遍整個(gè)網(wǎng)架耗時(shí)僅在199.5ms內(nèi)；在相同撞擊動(dòng)量作用下，沿橋長(zhǎng)方向的桿件軸力響應(yīng)比橋?qū)挿较蚓鄾_擊位置相同距離的桿件較大；在1區(qū)的桿件，以豎桿、上腹桿及下弦桿較大，其他各桿明顯較??；除1區(qū)外的其他區(qū)域，位于同一位置處的各桿件內(nèi)力響應(yīng)變化幅度不大。

（二）局部塑性變形階段

塊體的初速度在5m/s～15 m/s時(shí)，撞擊位置處部分桿件開始逐步進(jìn)入塑性變形階段。此階段的節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)如表2所示。由于篇幅有限，這里只給出初速度為5m/s和15m/s時(shí)的響應(yīng)。

由計(jì)算分析的結(jié)果可以得到組合網(wǎng)架在局部塑性變形階段的動(dòng)力響應(yīng)大體與彈性階段類似，都是隨著塊體撞擊速度的增加，撞擊沖量、位移幅值和軸力幅值也隨之增大。所不同的是：該階段塊體的回彈速度有所降低；1區(qū)的部分桿件開始進(jìn)入塑性階段，首先板和豎桿在撞擊沖量為631376Kg·m/s時(shí)，其等效應(yīng)力同時(shí)超過其屈服強(qiáng)度，即板在0.51968s其等效應(yīng)力峰值達(dá)到38.17MPa大于35MPa，豎桿壓應(yīng)力的峰值達(dá)到244.4MPa大于235MPa。其后隨著撞擊動(dòng)量的進(jìn)一步增大該區(qū)及其附近區(qū)域（在橋長(zhǎng)方向約為6個(gè)網(wǎng)格，橋?qū)挿较蚣s為3個(gè)網(wǎng)格）的上弦梁、橋面板、上層腹桿、豎桿和下層的桿件逐步進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。可見撞擊作用的影響范圍具有局部性和輻射衰減的特性。

（三）局部失效破壞階段

當(dāng)塊體的初速度在16m/s以上時(shí)，1區(qū)出的桿件相繼出現(xiàn)失效破壞。首先是上弦梁砸斷，接著當(dāng)塊體初速度增加到30m/s時(shí)，板也被砸斷（在0.11993s達(dá)到其失效應(yīng)變0.0038）而豎桿和上腹桿經(jīng)過屈服強(qiáng)化后（在0.17972s達(dá)到其失效應(yīng)變0.2）也相繼失效破壞。當(dāng)上述桿件斷裂后中弦桿、下腹桿和下弦桿仍可構(gòu)成雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有繼續(xù)承載的能力。其后隨著撞擊動(dòng)量的增加1區(qū)下層桿件及其臨近區(qū)域的構(gòu)件也相繼達(dá)到極限應(yīng)變被拉斷，最后的破壞模態(tài)為撞擊塊局部穿透網(wǎng)架并產(chǎn)生一定范圍的塑性大變形區(qū)域。網(wǎng)架被穿透后仍可構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系，具有一定的殘余承載力。下圖是塊體在90m/s時(shí)撞擊作用下組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞圖（圖4）。

三、結(jié)論

通過對(duì)塊體撞擊作用下三層組合網(wǎng)架公路梁橋的動(dòng)力響應(yīng)分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1） 由于橋面板的作用，上弦梁受力較??；

2） 在梁橋破壞時(shí)，各桿件失效破壞的先后次序?yàn)椋荷舷伊?、板、豎桿、上腹桿、下腹桿和下弦桿。

由分析結(jié)果可知：在組合網(wǎng)架梁橋的耐撞性設(shè)計(jì)中應(yīng)加大豎桿和上腹桿的壁厚及上弦梁截面。

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