CN106052924A - 大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置，能够准确的计算出大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力。所述方法包括：S1、获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；S2、根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力。

Description

大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置

技术领域

本发明涉及撞击力计算领域，具体涉及一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置。

背景技术

超高车辆撞击桥梁上部结构是近几年才凸显出来的问题，各国规范都无相应的计算公式。已有相关规范和规定是针对船桥墩碰撞问题、漂浮物撞桥墩，桥面上车辆撞击结构的撞击力计算。有不少学者将船桥碰撞撞击力的计算方法引入超高车辆撞击桥梁上部结构撞击力的计算中，但与实际情况相差很大。

目前各国关于撞击力的相关计算规定：

示例一：船舶、漂浮物碰撞桥梁结构撞击力计算公式

(1)中国《铁路桥涵设计基本规范》铁道第三勘察设计院，中国铁道出版社，2005年8月第二版P30-31.

我国《铁路桥涵设计基本规范》中将船舶对墩台的撞击力列入特殊荷载的计算中，假定船舶作用于墩台的有效动能全部转化为碰撞力所做的静力功，给出计算公式为：

F＝γVsinα[W/(C₁+C₂)]^0.5 (5)

式中：F——撞击力(103N)；

γ——动能折减系数(m/s^0.5)，当船只或排筏斜向撞击墩台时可采用0.2m/s^0.5，正向撞击时可采用0.3m/s^0.5；

V——船只或排筏撞击墩台时的速度(m/s)，对于船只采用航运部门提供的数据，对于排筏可采用筏运期的水流速度，α为船只或排筏驶进方向与墩台撞击点处切线所组成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难可采用α＝20°；

W——船只重或排筏重(106N)；

C1、C2——船只或排筏的弹性变形系数和墩台圬工的弹性变形系数，资料缺乏时可假定C₁+C₂＝0.5m/MN。

(2)中国《公路桥涵设计通用规范》中交公路规划设计院，人民交通出版社，2004年10月第一版P34.

我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)将船舶撞击列为偶然作用，内河上的桥梁所受的船舶撞击力按表1来取值，海轮撞击力的标准值按表2取值。

表1 内河船舶撞击作用标准值

表2 海轮撞击作用标准值

有漂流物的水域中的桥梁墩台，设计时应考虑漂流物的撞击作用，其横桥向撞击力设计值可按下式计算：

$P=\frac{MV}{gT}---\left(6\right)$

式中:P——漂流物撞击力(kN)；

M——漂流物重力(kN)，应根据河流中漂流物情况,按实际调查结果确定；

V——水流速度(m/s)；

T——撞击时间(s)，应根据实际资料估计，无资料时，取1s；

g——重力加速度g＝9.81m/s²。

(3)欧洲规范A.C.W.M Vrouwenvelder,Design for Ship Impact According toEurocode 1,Part 2.7,Ship Collision Analysis[S],A.A.Balkema,Rotterdam,2005.P17

欧洲统一规范Euro code(1)规定，对于船桥撞击中的桥梁设计，应当选用某种统计意义下的设计代表船舶，并且依据下面公式来计算船舶的撞击力：

$P=V\sqrt{KM}---\left(7\right)$

式中：P——撞击力(106N)；

V——碰撞体在碰撞时的速度(m/s)；

K——碰撞体的等效刚度；

M——碰撞体的重量(103t)。

(4)美国规范

a.《公路桥梁船舶撞击指导性规范》Guide specifications and commentary forvessel collision design of highway bridges.American Association of StateHighway and Transportation Officials.Section Edition 2009.AASHTO.P39

美国1991年出版的AASHTO规范规定的船舶或船舶头部与桥梁相撞时的当量静态撞击力的经验公式：

P＝0.98(DWT)^1/2(V/8) (8)

式中：P——等效静态撞击力(106N)；

V——船舶航行速度(m/s)；

DWT——船舶载重吨位(t)。

b.《公路桥梁设计规范》Bridge Design Manual-LRFD.American Association ofState Highway and Transportation Officials.AASHTO.2012.P151

美国在1994年颁布了《公路桥梁设计规范》，该规范规定：对于所有位于水深超过0.6m处的桥墩(尤其是位于3倍于设计船长以外的桥墩)都应该考虑由于船舶漂流导致的最小撞击力，此最小撞击力是根据10.7m×59.5m的空载底卸式船舶的年平均水流速度漂移来计算撞击荷载。

一般对于通航桥孔的桥墩，船舶对桥墩的正面撞击力，可按下式计算：

P_s＝1.2×10⁵V(DWT)^1/2 (9)

式中：Ps——撞击力(N)；

V——船舶航行速度(m/s)；

DWT——船舶载重吨位(t)。

实例二.车辆撞击力大小规定

车辆与桥的碰撞是一个非常复杂的动力学过程，涉及许多的动态响应，又加上桥底的交通情况复杂，车速、车重不同，撞击程度差别很大。各国规范对车辆碰撞桥梁上部结构的撞击力计算问题都没有给出计算公式；关于撞击力，大都只是给出了固定值，而且是针对桥面上车辆撞击作用的。如表3：

表3 各国规范关于撞击力的规定

清华大学抗震防灾与高性能结构研究组报告集Ⅱ(陆新征等著)：《超高车辆撞击桥梁上部结构研究》——破坏机理、设计方法和防护对策中，详细研究了超高车辆撞击桥梁上部结构后的响应，也提出了简化计算模型和工程设计公式(简称陆新征计算公式)，但这些公式略显复杂。

上述计算公式有些适用于船桥碰撞撞击力的计算，有些对撞击力仅简单规定固定值，对于大型超高车碰撞桥梁上部结构的撞击力的计算问题并没有计算方法，无法满足工程实际的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置，能够准确的计算出大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力。

一方面，本发明实施例提出一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法，包括：

S1、获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

S2、根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

P_hmax＝3.0321M^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (1)，

P_haver＝1.5515M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (2)

P_vmax＝1.1079M^0.5223(0.4281ln(V)-0.4459) (3)，

P_vaver＝0.5516M^0.5181(0.5155ln(V)-0.7476) (4)

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。

另一方面，本发明实施例提出一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算装置，包括：

获取单元，用于获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

计算单元，用于根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

P_hmax＝3.0321M^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (1)，

P_haver＝1.5515M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (2)

P_vmax＝1.1079M^0.5223(0.4281ln(V)-0.4459) (3)，

P_vaver＝0.5516M^0.5181(0.5155ln(V)-0.7476) (4)

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。

本发明实施例提供的大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法及装置，给出了具体的计算公式，能够准确的计算出大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力。

附图说明

图1为本发明大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法一实施例的流程示意图；

图2为T梁横截面及横隔梁示意图；

其中，(a)图所示为T梁横截面，(b)图所示为横隔梁，

图3为车辆碰撞桥梁过程中能量的相互转化关系图；

图4为车辆以10m/s的速度撞击桥梁时的撞击力时程图；

图5为不同车重撞击桥梁上部结构撞击力时程图；

图6为撞击力最大值拟合关系式图；

图7为撞击力平均值拟合关系图；

图8为不同速度撞击力时程图；

图9为水平撞击力最大值拟合关系图；

图10为水平撞击力平均值拟合关系图；

图11为垂直撞击力最大值拟合关系图；

图12为垂直撞击力平均值拟合关系图；

图13为本发明大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法，包括：

S1、获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

S2、根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

P_hmax＝3.0321M^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (1)，

P_haver＝1.5515M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (2)

P_vmax＝1.1079M^0.5223(0.4281ln(V)-0.4459) (3)，

P_vaver＝0.5516M^0.5181(0.5155ln(V)-0.7476) (4)

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。

基于目前的工程实践，开展了大型超高车辆撞击桥梁上部结构撞击力的计算研究，采用商业软件ANSYS的强大计算功能建立仿真模型，考虑车辆重量及车速对桥梁上部结构撞击影响，应用多参数曲线拟合方法给出撞击力的计算公式，并与相关的文献、规定进行对比，确认其可靠性，填补规范的空白。

本发明的目的：填补现有规范关于大型超高车辆撞击桥梁上部结构撞击力的计算空白。

本发明的方案：

大型超高车辆撞击桥梁上部结构是非常复杂的动力问题，涉及大量的结构非线性、材料非线性、接触非线性以及动力效应。已有文献报道，采用ANSYS/LS-DYNA能够很好的进行车辆撞击桥梁问题的计算分析。根据这一思路，首先建立车桥模型，然后进行车桥碰撞的仿真计算，通过大量计算比较，提出最大撞击力和平均撞击力计算公式。

1.车辆有限元模型

采用“国家碰撞分析中心”即NCAC(由美国联邦高速公路安全协议支持)提供的标准双轴卡车有限元模型(简称F800模型)，

F800总重量为8t，共有38716个节点和35035个单元，主要由4部分组成：车身、底盘、发动机和重物。其中发动机与重物采用SOLID164实体单元，按各向同性弹性材料考虑；车身和底盘的金属部件则采用SHELL163壳单元模拟，按分段线性塑性考虑。各个独立汽车部件之间的连接，例如货厢与纵梁间，通过“焊点”来模拟。当撞击作用下某些焊点的伸张力和扭曲力达到失效极限时，即产生断裂，模拟真实撞击中的部件断裂和脱离。

2.车-桥有限元模型

以简支T梁桥(T梁横截面及横隔梁如图2所示，图2中数值单位为mm)为例，横截面由5片T梁组成，主梁混凝土采用C30，普通钢筋为HRB335。混凝土采用Solid164单元进行模拟，材料本构关系采用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型，普通钢筋采用LINK180单元进行模拟，钢筋采用Cowper-Symonds本构模型。

超高车辆撞击桥梁的位置取距主梁下缘250mm的位置，车厢与桥梁结构主梁接触采用面面自动接触。

3.模型检验

模型的正确性在车辆撞击计算分析中起着决定性的作用，整个撞击过程中主要能量有动能、内能、接触能以及沙漏能等，根据能量守恒定律，且沙漏能和接触能不超过总能量的10％，计算结果与已有文献结果比较来检验模型的正确性。经计算得到，车辆碰撞桥梁过程中能量的相互转化关系图如图3，车辆以10m/s的速度撞击桥梁时的撞击力时程图如图4。

沙漏能和接触能都很小，控制在10％以内，且8t重车辆以10m/s的速度撞击桥梁结构时的最大值撞击力为1.608×10⁶N，与已有文献的结果吻合，模型可靠。

4.车桥撞击力计算

车辆撞击桥梁上部结构是一动态过程，撞击力是一条时程曲线，在桥梁设计中一般是将其等效成静力荷载，用撞击力的最大值或平均值计算，撞击力最大值P_max是指撞击时的峰值；撞击力平均值即撞击过程中总的冲量与撞击时间的比值。在车辆撞击桥梁上部结构工程中，诸多因素都会对其产生影响，如：车速、车重、桥长、车型、支座以及车辆撞击桥梁位置等，有文献报道车辆的重量、速度对撞击力影响最大大，本文主要计算了车辆重量、速度对撞击力大小的影响，采用多参数曲线拟合的方法得出撞击力计算公式。

5.撞击力计算的多参数方法

采用的撞击力多参数曲线拟合方法，假设水平方向(垂直方向类似)最大撞击力及平均撞击力与车重、车速的函数为：

P_max＝RF₁(M)F₂(V) (10)

P_aver＝R′F′₁(M)F′₂(V) (11)

式中R、R′——统计常数；

M——车辆的重量，单位为吨(t)；

F₁、F₂——分别表示最大撞击力与车重、车速的关系式；

F′₁、F′₂——分别表示平均撞击力与车重、车速的关系式；

V——车辆撞击桥梁时的速度，单位为m/s。

6.车重、车速对撞击荷载的影响

在计算撞击力时，考虑工程实际，选用几种常见车重及车速进行计算，具体如表4。

表4 车重、车速的取值

由表可知，共有50种工况，本文计算了50种工况的结果，不同车重撞击桥梁上部结构撞击力时程如图5。

由图5可知，车辆撞击桥梁时，在大约0.01s时，桥梁受到一个巨大的突加荷载的作用，但此时的撞击力远小于撞击力最大值，撞击力最大值大约在0.05s达到，随后撞击力快速减小，各种情况的撞击结果(仅列出水平方向)如表5。

表5 各工况下撞击力

将上述50个工况按重量、速度进行归类、归一化，得到不同重量撞击力比率平均值如表6所示，撞击力峰值比率及平均撞击力比率，拟合曲线及方程如图6、图7所示。

表6 不同重量撞击力比率平均值

由图6、图7可知，车桥撞击时，水平方向(垂直方向结果类似)撞击力与车重成非线性关系，由相关性系数可以看出，撞击力大小与车重的关系比较符合幂函数的关系，经拟合后，撞击力最大值和撞击力平均值与车重的关系式如下：

F₁(M)＝0.482M^0.2075 (12)

F₁'(M)＝0.4809M^0.2072 (13)

给出8t重车辆以不同速度撞击桥梁跨中时的撞击力时程图，具体大小如图8。

从图8可以看出，当车辆以10m/s、20m/s、30m/s撞击桥梁时，撞击力最大值分别为1.608×10⁶N、3.873×10⁶N、4.938×10⁶N，可以看出，撞击力最大值与车速呈正相关关系，并且车速越大撞击力增加的速度越快，峰值越早达到。

同样，得到不同速度下撞击力比率平均值，如表7所示。拟合可得到撞击力与速度之间的关系式如图9至12所示。

表7 不同速度撞击力比率平均值

经处理，撞击力与速度的关系符合对数函数的关系，最后得到的公式如下：

F₂(V)＝0.5608ln(V)-0.9033 (14)

F₂′(V)＝0.5359ln(V)-0.8278 (15)

7.撞击力计算公式

整理得到水平撞击力计算公式为：

P_hmax＝RM^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (16)

P_haver＝R′M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (17)

利用多参数曲线拟合和已经确定的函数形式，结合将所有工况计算结果，最终得到水平撞击力的计算公式为：

P_hmax＝3.0321M^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (18a)

P_haver＝1.5515M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (19a)

同样的方法得出垂直撞击力公式为：

P_vmax＝1.1079M^0.5223(0.4281ln(V)-0.4459) (18b)

P_vaver＝0.5516M^0.5181(0.5155ln(V)-0.7476) (19b)

式中，重量M的单位为t，速度的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。从公式中可以看出撞击力最大值大致为平均撞击力的2倍，这与规范规定的撞击力最大值与平均撞击力之间的关系相吻合。

本发明的效果：提出的撞击力拟合计算公式，满足了超高车辆撞击桥梁时撞击力的计算需求。

从前面的计算可以看出，当车速及车重达到一定程度时，规范规定的撞击力值远小于撞击力峰值和撞击力的平均值，如果按照规范的方法计算，将给设计造成安全隐患。在此以8t车、60km/h的速度撞击桥梁上部结构为例，本文所得到的撞击力与有关文献结果比较，如表8所示。

表8 撞击力比较

由表5可知，本文计算得到的撞击力平均值与陆新征文方法结果比较接近。

参看图13，本实施例公开一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算装置，包括：

获取单元1，用于获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

计算单元2，用于根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

P_hmax＝3.0321M^0.2075(0.5608ln(V)-0.9033) (1)，

P_haver＝1.5515M^0.2072(0.5359ln(V)-0.8278) (2)

P_vmax＝1.1079M^0.5223(0.4281ln(V)-0.4459) (3)，

P_vaver＝0.5516M^0.5181(0.5155ln(V)-0.7476) (4)

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (2)

1.一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算方法，其特征在于，包括：

S1、获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

S2、根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

$\begin{array}{cc}{P}_{h\max }={3.0321M}^{0.2075}(0.5608\ln \left(V\right)-0.9033)& \left(1\right)\\ P_{\mathrm{haver}}={1.5515M}^{0.2072}(0.5359\ln \left(V\right)-0.8278)& \left(2\right)\end{array},$

$\begin{array}{cc}{P}_{v\max }={1.1079M}^{0.5223}(0.4281\ln \left(V\right)-0.4459)& \left(3\right)\\ P_{\mathrm{vaver}}=0.5516M^{05181}(0.5155\ln \left(V\right)-0.7476)& \left(4\right)\end{array},$

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。

2.一种大型超高车辆撞击桥梁上部结构的撞击力计算装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取车辆碰撞桥梁时的速度和车重；

计算单元，用于根据所述车辆碰撞桥梁时的速度和车重计算大型超高车辆撞击桥梁上部结构时水平方向的最大撞击力和平均撞击力，以及垂直方向的最大撞击力和平均撞击力，计算公式分别为：

$\begin{array}{cc}{P}_{h\max }={3.0321M}^{0.2075}(0.5608\ln \left(V\right)-0.9033)& \left(1\right)\\ P_{\mathrm{haver}}={1.5515M}^{0.2072}(0.5359\ln \left(V\right)-0.8278)& \left(2\right)\end{array},$

$\begin{array}{cc}{P}_{v\max }={1.1079M}^{0.5223}(0.4281\ln \left(V\right)-0.4459)& \left(3\right)\\ P_{\mathrm{vaver}}=0.5516M^{05181}(0.5155\ln \left(V\right)-0.7476)& \left(4\right)\end{array},$

式中：P_hmax、P_haver——水平方向峰值撞击力、平均撞击力；

P_vmax、P_vaver——垂直方向峰值撞击力、平均撞击力，

M——车辆的重量；

V——车辆碰撞桥梁时的速度；

车重量M的单位为t，车速V的单位为m/s，撞击力的单位为10⁶N。