CN114417662A - 一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法 - Google Patents

一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法 Download PDF

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CN114417662A CN202111683503.XA CN202111683503A CN114417662A CN 114417662 A CN114417662 A CN 114417662A CN 202111683503 A CN202111683503 A CN 202111683503A CN 114417662 A CN114417662 A CN 114417662A
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农兴中
史海欧
徐梁晋
王义博
刘雨龙
陈亮
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Abstract

本发明提供了一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法，包括步骤：建立整个桥梁有限元模型；选取车辆模型，并对所述车辆模型进行标定；对桥梁进行车辆碰撞仿真；通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应；对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态。本发明建立考虑材料非线性、几何非线性、几何非线性以及材料率效应的车、桥精细有限元模型，对刚构桥下部结构遭受重型车辆碰撞过程进行了数值仿真。通过动力时程分析得到车辆撞击过程中桥梁的动力响应，通过墩身应力应变的分布规律判断桥墩的损伤状态，为单薄壁连续刚构桥墩的防撞措施设计提供理论基础。

Description

一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法
技术领域
本发明属于单薄壁连续刚构桥墩碰撞研究技术领域，具体涉及一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法。
背景技术
单薄壁墩全刚构体系桥梁具有景观优，免支座维护的优点。车辆撞击桥墩这种交通事故很常见，大多是由于车辆机械事故、驾驶速度过快、路况不熟、酒驾、疲劳驾驶等因素引起的。此类事故较难处理，会导致车损人伤，影响道路车辆正常通行，阻碍交通畅顺，严重的还会危害人们的生命，因此研究车桥碰撞具有重要的现实意义。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法，其能对单薄壁连续刚构桥墩的碰撞情况进行模拟。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现：
一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法，包括步骤：
建立整个桥梁有限元模型；
选取车辆模型，并对所述车辆模型进行标定；
对桥梁进行车辆碰撞仿真；
通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应；
对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态。
作为本发明的进一步改进，在所述桥梁有限元模型中：
上部结构模型、桥墩模型、承台模型以及路面的混凝土模型均采用实体单元，墩身主筋单元和钢筋单元采用三维桁架单元，被撞击桥墩采用弹塑性本构模型。
作为本发明的进一步改进，对所述车辆模型进行标定包括：从局部破坏力和撞击冲量对车辆进行标定。
作为本发明的进一步改进，通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应，包括：
获取中墩受到撞击时的峰值撞击力和撞击持续时间；
将动态的撞击过程等效成静力荷载；
得到中墩的等效撞击力。
作为本发明的进一步改进，通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应，还包括：
在峰值撞击荷载时，获取撞击力沿桥墩高度的分布、最终的合力大小和作用位置；
计算撞击过程中每一时刻合力作用高度，得到合力作用点的时程曲线；
根据时程曲线，计算中墩等效撞击力下的作用高度。
作为本发明的进一步改进，对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态，还包括：整体位移状况、墩身混凝土开裂状况、墩身钢筋屈服状况、桥梁损伤状况。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：建立考虑材料非线性、几何非线性、几何非线性以及材料率效应的车、桥精细有限元模型，对刚构桥下部结构遭受重型车辆碰撞过程进行了数值仿真。通过动力时程分析得到车辆撞击过程中桥梁的动力响应，通过墩身应力应变的分布规律判断桥墩的损伤状态，为单薄壁连续刚构桥墩的防撞措施设计提供理论基础。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为实施例1所述仿真方法的流程图；
图2为实施例1所述桥梁有限元模型的示意图；
图3为实施例1中混凝土单轴应力－应变全曲线示意图；
图4为实施例1中钢筋单轴本构关系示意图；
图5为实施例1所述车辆模型的示意图；
图6为实施例1的中墩撞击力时程示意图；
图7为实施例1的中墩峰值荷载时撞击力沿高度分布情况图；
图8为实施例1的中墩合力作用高度时程曲线；
图9为实施例1的中墩墩身混凝土开裂情况的立面图；
图10为实施例1的中墩墩身混凝土开裂情况的横断面图；
图11为实施例1的中墩墩身钢筋屈服情况；
图12为实施例1的中墩撞击后状态。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法，如图1所示，包括步骤：
S1、建立整个桥梁有限元模型。
本实施例中，选取了4×40m连续梁桥为研究对象，建立全桥有限元模型，如图2所示。模型一共33135个单元，包括了上部结构、桥墩和承台。上部结构为变截面箱梁。墩身为矩形实心截面，墩高14m，桥墩截面横桥向宽度随墩高变化，根部3m，顶部2.4m，厚度边墩为0.8m，其他桥墩为1.4m。
为了考虑土－结相互作用对撞击响应的影响，承台底部采用6自由度弹簧考虑，弹簧刚度见表1。
表1承台底部弹簧
刚度 刚度取值
X方向位移(横桥向) 9.438×105kN/m
Y方向位移(竖桥向) 5.476×106kN/m
Z方向位移(顺桥向) 9.438×105kN/m
绕X轴转动刚度 2.71×106kN·m/rad
绕Y轴转动刚度 1010kN·m/rad
绕Z轴转动刚度 2.71×106kN·m/rad
上部结构、桥墩、承台和路面的混凝土均采用实体单元(MSC.Marc中7号单元)，墩身主筋和钢筋采用三维桁架单元(MSC.Marc中9号单元)。通过Insert功能实现钢筋与混凝土的共同工作。由于损伤主要集中在被撞击桥墩，因此为了简化计算模型，提高模型计算效率，将桥梁上部结构和承台定义为弹性，除被撞击桥墩外，其他桥墩均定义为弹性。
被撞击桥墩采用弹塑性本构模型。该本构模型如图3所示，其受压骨架曲线采用由曲线上升段OA、斜直线下降段AC以及水平残余强度CD段组成的Kent－Park模型。其上升段OA采用1955年Hognestad提出的二次抛物线形式，斜直线下降段AC由峰值点A(ε0，σ0)和0.5倍峰值应力点B(ε0.5，0.5σ0)确定。最后的残余强度段CD取为0.2倍峰值强度的水平直线。对于混凝土的受拉骨架线，则采用了1976年Hillerborg等提出的双折线模型，此模型由直线上升段OE和直线下降段EF组成。
钢筋的单轴本构模型采用了Esmaeily等提出的由两段直线和一段抛物线组成的应力－应变曲线。以单轴受拉为例，如图4所示的钢筋单轴受拉的应力－应变曲线包含：弹性段OA，屈服段AB，强化段BC以及软化段CD。其中OA弹性段和AB屈服段为直线，BC强化段和CD软化段采用了二次抛物线的形式。
钢材在冲击荷载作用下也会表现出强度提高的特性，属于钢材应变率效应。钢材的应变率效应具有其自身特点，即随材料应变强化的发展而逐渐减弱。本实施例采用Cowper－Symonds模型进行计算，其表达式如公式为：
Figure BDA0003449764170000041
式中，
Figure BDA0003449764170000042
为钢材的应变率；σd为钢材在应变率为
Figure BDA0003449764170000043
时的应力值(MPa)；σ0为初始屈服应力(MPa)；Ep塑性硬化模量(MPa)；Ep＝EEt/(E-Et)，E为弹性模量(MPa)，Et为塑性切线模量(MPa)；
Figure BDA0003449764170000044
为等效塑性应变；β为调整同性强化和随动强化的参数，β＝0代表随动强化，β＝1代表各向同性强化，β介于0～1之间，则为混合强化。C和p为Cowper－Symonds模型的材料参数，取C＝40s－1，p＝5。
S2、选取车辆模型，并对所述车辆模型进行标定。
本实施例主要针对重载货车，因此根据《公路货运车辆超限超载认定标准》选取总质量为49t的6轴重载货车为车辆模型原型。根据桥下线路设计时速，确定撞击速度60km/h。参考《公路护栏安全性能评价标准》，确定撞击角度为20°。
车辆模型如图5所示。由于撞击主要发生在车头部分，因此对车辆进行了简化。车头采用了理想弹塑性本构，同样通过Cowper－Symonds模型考虑材料率效应。车厢和车轮为弹性。车头－车辆、车头－车轮、车厢车轮之间采用刚性杆进行连接。
另外采用MSC.Marc软件的Contact模块定义了车头和被撞桥墩、车轮和车轮的接触关系。对于法相接触条件，通过定义接触距离容差，实现其不可贯入性；对于切向接触条件，选取库伦摩擦模型，其中车轮和路面的摩擦系数为0.7，车头和桥墩的摩擦系数为0.3。
由于撞击荷载对结构的损坏作用包括两类：一是瞬时撞击力引起碰撞区域局部损坏；二是撞击冲量引起结构整体位移与变形，从而导致整体变形损伤。因此对于撞击荷载，从局部破坏力和撞击冲量两个方面标定车辆。根据表2可以看出标定后的车辆其最大撞击力和撞击冲量与试验值吻合良好。
表2标定结果
Figure BDA0003449764170000045
Figure BDA0003449764170000051
S3、对桥梁进行车辆碰撞仿真。
鉴于缺乏车辆撞击后桥梁损伤状态的评定准则，项目参考基于性能桥梁抗震设计理论，将钢筋混凝土薄壁墩性能划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和接近倒塌5个性能水平，各损伤状态对应的使用功能、专业描述以及量化指标见表3。
表3损伤状态评定准则
Figure BDA0003449764170000052
Figure BDA0003449764170000061
S4、通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应。具体包括：
如图6所示，49t六轴重载货车以60km/h速度从与桥梁轴线20°方向撞击中墩时，获取中墩撞击的峰值撞击力分别为5821.903kN，撞击持续时间分别0.469s。
然而车辆撞击过程是一个动态过程，撞击力的峰值出现在碰撞过程中的某一时刻，在工程设计中，往往需要将一个动态撞击过程等效成一个静力荷载。美国AASHTO LRFD规范通过真实车辆撞击刚性柱试验得到撞击力时程曲线，根据峰值荷载附近△t时间范围内的荷载平均值建议了撞击力的大小。根据陆新征等人的研究结论，本项目取峰值附近的0.1s时间范围内的平均撞击力Fm作为局部破坏撞击力。确定方法为：首先确定撞击力时程峰值对应的时间tp，如果该时间小于0.05s，则取0～0.1s时间范围内的平均撞击力作为Fm，如果该时间大于0.05s，则取(tp－0.05s)～(tp+0.05s)时间范围内的平均撞击力Fm。根据该方法得到中墩撞击撞击过程中的等效撞击力分别为3454.475kN。
图7为峰值荷载时，撞击力沿桥墩高度的分布，以及最终的合力大小和作用位置。对于中墩撞击工况，峰值荷载时刻合力作用高度为1.622m。。
通过计算撞击过程中每一时刻合力作用高度，可以得到合力作用点的时程曲线。如图8所示，对于中墩撞击工况，合力作用点在0.507m～1.703m之间变化，等效撞击力(t＝0.028s～0.128s内平均撞击力)作用高度1.469m。
S5、对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态。具体包括：
整体位移状况：提取梁顶轴线各点的位移，可以得到撞击过程中的时程曲线。对于中墩撞击工况，横桥向最大位移为1.57mm，横桥向任意两点相对位移最大为1.80mm；顺桥向最大位移为2.95mm，顺桥向任意两点相对位移最大为0.12mm。墩身混凝土开裂状况：图9～图10分别为中墩被撞击后墩身混凝土开裂情况。
对于中墩撞击工况，裂缝主要集中在墩顶撞击正面，分布高度大约为1m。开裂最严重处位于撞击正面两侧，裂缝深度接近450mm。
墩身钢筋屈服状况：如图11所示，中墩撞击工况中，混凝土最大压应变为0.000215(t＝1.01s)，钢筋最大应变为0.0002625＜0.002(t＝1.00s)。参考损伤状态评定准则，中墩被49t六轴重载货车以60km/h速度从与桥梁轴线20°方向撞击后，其损伤状态为基本完好，无需修复即可继续使用。
桥梁损伤状况：如图12所示，中墩撞击工况中，混凝土最大压应变为0.000215(t＝1.01s)，钢筋最大应变为0.0002625＜0.002(t＝1.00s)。参考损伤状态评定准则，中墩被49t六轴重载货车以60km/h速度从与桥梁轴线20°方向撞击后，其损伤状态为基本完好，无需修复即可继续使用。
综上所述，本实施例利用通用有限元分析软件MSC.Marc，建立考虑材料非线性、几何非线性、几何非线性以及材料率效应的车、桥精细有限元模型，对刚构桥下部结构遭受重型车辆碰撞过程进行了数值仿真。通过动力时程分析得到车辆撞击过程中桥梁的动力响应，通过墩身应力应变的分布规律判断桥墩的损伤状态，为单薄壁连续刚构桥墩的防撞措施设计提供理论基础。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法，其特征在于，包括步骤：
建立整个桥梁有限元模型；
选取车辆模型，并对所述车辆模型进行标定；
对桥梁进行车辆碰撞仿真；
通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应；
对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态。
2.根据权利要求1所述的单薄壁连续刚构桥墩撞击仿真方法，其特征在于，在所述桥梁有限元模型中：
上部结构模型、桥墩模型、承台模型以及路面的混凝土模型均采用实体单元，墩身主筋单元和钢筋单元采用三维桁架单元，被撞击桥墩采用弹塑性本构模型。
3.根据权利要求1所述的单薄壁连续刚构桥墩撞击仿真方法，其特征在于，对所述车辆模型进行标定包括：从局部破坏力和撞击冲量对车辆进行标定。
4.根据权利要求1所述的单薄壁连续刚构桥墩撞击仿真方法，其特征在于，通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应，包括：
获取中墩受到撞击时的峰值撞击力和撞击持续时间；
将动态的撞击过程等效成静力荷载；
得到中墩的等效撞击力。
5.根据权利要求4所述的单薄壁连续刚构桥墩撞击仿真方法，其特征在于，通过动力时程分析得到车辆碰撞过程中桥梁的动力响应，还包括：
在峰值撞击荷载时，获取撞击力沿桥墩高度的分布、最终的合力大小和作用位置；
计算撞击过程中每一时刻合力作用高度，得到合力作用点的时程曲线；
根据时程曲线，计算中墩等效撞击力下的作用高度。
6.根据权利要求1所述的单薄壁连续刚构桥墩撞击仿真方法，其特征在于，对桥梁墩身的应力应变分布规律判断桥墩的损伤状态，还包括：整体位移状况、墩身混凝土开裂状况、墩身钢筋屈服状况、桥梁损伤状况。
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