集装箱车辆与跨线桥梁的碰撞响应分析

周杰峰

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

0 引言

根据交管部门的最新统计，全国各地的跨线桥中，有近一半都被撞过，这种碰撞对桥梁的损坏是难以估量的，有的是“内伤”修复困难，且费用昂贵，有的破坏严重，已基本丧失使用功能，只能重建，见图 1、图 2。

图1 卡车撞击护栏

图2 卡车翻斗意外竖起导致撞击

车辆撞击导致桥梁破坏，是目前城市交通工程中必须面对且尚未解决的重要课题，因此保证桥梁的抗撞击能力并采取有效防护措施，是保障桥梁遭受撞击后安全的最后技术防线；深入研究车－桥碰撞的内在科学机理，进而提出有针对性的桥梁抗撞击设计方法和防护技术措施，是解决车辆撞击桥梁破坏的重要科学技术基础[1-4]。

1 有限元模拟

1.1 车辆模型

不同厂家、不同型号的集装箱车辆均存在一定的差别，通过大量调查取证，本文集装箱车长×宽×高：11.8m×2.13m×4.07m，轴距：1.35m×6.5m×3.4 m。因本文中碰撞的主体是集装箱，整车有限元模型主要简化为集装箱、车头、车板及其下部结构，其中轮胎和下部牵引装置采用刚化处理，集装箱与车辆下部采用铰接处理。钢材采用基于Von Mises屈服准则的弹塑性本构模型，考虑到卡车与梁体碰撞完后会进行二次碰撞，本文中对集装箱采用Hyper mesh前处理，整个网格划分较均匀，见表1。

表1 车厢材料本构参数取值[1]

1.2 跨线桥模型

根据文献[1]建立典型双车道简支梁桥有限元模型，跨径为30 m，单片梁宽1.4 m，高1.7 m，桥面宽度7.0 m，横断面尺寸见图3。混凝土标号为C40，普通钢筋为 HRB400，预应力筋张拉力为1 339.2 MPa。支座采用厚度6.3 cm、切向刚度为3 kN/mm的板式固定橡胶支座。参数见表2。

图3 桥梁横断面尺寸（单位：cm）

表2 桥梁上部结构参数表

在有限元模型中，混凝土受压采用弹塑性本构模型，受拉采用基于最大拉应力准则弥散性裂缝模型；通过给钢筋单元输入初始应力模拟预应力筋。用有限元通用的超弹性材料模型Mooey-Rivlin模拟橡胶支座。有限元模型见图4。

图4 有限元模型

1.3 计算说明

1.3.1 接触定义

车-碰撞桥中卡车的撞击力主要通过集装箱和腹板下缘之间的“接触”传递给桥梁的，车-桥碰撞的各种动态响应也是基于“接触”前提下才能实现，因此如何定义好“接触”是本文数值模拟的关键所在。

ABAQUS中接触的定义主为两个步骤，第一步是接触属性的定义，主要是切向行为和法向行为的定义，本文中法向采取“硬接触”，切向采取“库伦摩擦”；第二部是接触算法的定义，选择好接触算法后，由程序来完成后续计算。

1.3.2 模型边界条件

（1）由于暂不考虑桩土之间的相互作用，墩柱下部采用固结处理；（2）在轮胎与地面接触处约束车辆向上的自由度；（3）桥梁上部结构和墩柱之间通过接触模拟其竖向力，橡胶支座考虑其竖向抗拉和水平约束作用。

1.3.3 工况汇总

通过自振频率计算取车桥耦合碰撞的时间为0.12 s，根据正常汽车行驶速度，取碰撞时车速v=50 km/h；分析集装箱车辆质量 m=18 t、24 t、30 t三种工况下车辆的碰撞情况。由于车辆撞击对桩基的影响不大，本文主要对支座和主梁的破坏情况进行分析。

2 应力分析

车-桥碰撞是一类典型的高速、强非线性、局部破坏和整体破坏相互作用的复杂动力演化过程，本文以正碰点处应力和位移为主进行破坏分析。

以工况m=30 t的碰撞结果，进行主梁应力云图说明。由图5可以看出，正碰点处混凝土受压，碰撞点上缘翼缘板位置混凝土受拉。随着碰撞的进行，应力逐渐加剧，破破范围越来越大，翼缘板位置首先达到屈服强度，而此时腹板处的混凝土除少数屈服外，大部分抗压性能并未完全发挥出来。

图5 主梁不同时刻应力云

图6～图8为三种工况下应力时程曲线。

图6 正碰点处Mises应力时程曲线

图7 翼缘板处Mises应力时程曲线

图8 支座上缘Mises应力时程曲线

从图6中可以看出，主梁的应力呈抛物线变化，在0.04 s左右达到峰值，0.08 s左右结束第一次碰撞。由图可以看出，对于不同碰撞质量而言，冲量越大，应力最大值也越大，对主梁造成的破坏也越大。

图7表示翼缘上缘点的应力时程曲线图，可以看出，翼缘板大部在0.05 s左右开始屈服并出现塑性效应，拉应力不再随位移的增大而增大，至0.08 s左右第一次碰撞开始结束时拉应力开始减小。对比三种工况，质量越大，翼缘板处的最大拉应力也越大。

由于主梁尚未屈服，随着碰撞的深入，支座逐渐参与受力；由图8可以得出，随着时间的增长撞击对支座的影响越来越明显，至撞击结束，支座上缘的应力达到最大值；对于不同工况而言，质量越大，支座上缘的最大应力也越大。

3 位移响应

图9、图10为三种工况下位移时程曲线。

图9 正碰点处位移时程曲线

图10 支座上缘位移时程曲线

由图9可以看出，主梁在0.12 s碰撞结束时位移达到最大值。三种工况作用下，冲量越大，撞击产生的位移越大；第一种冲量作用下主梁尚未屈服，大部分处于弹性状态，碰撞产生的能量主要由集装箱车辆来吸收，正碰点处的位移较小；后两种冲量作用下，主梁已开始进入塑性变形，最后产生的残余变形较大，因此位移较大。

由图10可以看出，出三种工况下，支座的侧向受拉位移已达到十几公分，而且由图6支座的应力分析可以知道，此时支座的应力已大于20 MPa，支座早已破坏。

4 结语

车辆撞击是一个十分复杂的非线性过程，跨线桥在车辆撞击下的破损情况除了跟桥梁本身的结构形式密切相关外，还主要取决于撞击物类型、速度、质量、撞击角度、接触高度等因素。

本文通过以上分析主要得出以下结论：

（1）车—桥碰撞的结果主要取决于撞击物的刚度、撞击冲量的大小。撞击物刚度一定的情况下，冲量越大，主梁和支座能够达到的最大应力越大，主梁和支座的位移越大，对主梁造成的损伤也就越大；反之，则越小。

（2）对于混凝土箱梁桥而言，箱型结构本身的抗弯和抗扭刚度较大，其梁身局部抗撞能力较强，撞击后主要破坏特征是支座位移过大。