城市橋梁下部結(jié)構(gòu)抗重型車輛撞擊的數(shù)值仿真分析

王娟　錢江　周德源

摘要：為研究城市道路橋梁結(jié)構(gòu)在重型車輛撞擊下的抗撞性能，建立了車橋碰撞的精細(xì)化有限元模型。橋梁模型具有兩跨上部結(jié)構(gòu)和雙柱墩支撐的下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用梁和殼單元，下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模型。同時(shí)構(gòu)建了具有不同噸位和長(zhǎng)度的重型車輛模型。通過(guò)考察碰撞過(guò)程的能量平衡曲線以及與碰撞事故后的橋墩破壞形式的對(duì)比，驗(yàn)證了車橋碰撞有限元模型的合理性。計(jì)算給出了不同噸位車輛的碰撞力時(shí)變曲線，討論了碰撞力作用位置和幅值的變化規(guī)律，探討了車橋碰撞中橋梁損傷等級(jí)的劃分。模擬結(jié)果表明，車速不變情況下，碰撞力峰值隨車重增加而增加，重車碰撞力峰值發(fā)生的時(shí)刻有后延的趨勢(shì)、碰撞力作用中心也以車輛前部首次接觸區(qū)域?yàn)橹鳎嚿磔^短的重車有可能出現(xiàn)后部車廂對(duì)橋墩的二次碰撞。

關(guān)鍵詞：車橋碰撞；損傷；碰撞力；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，城市橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷增長(zhǎng)，城市橋梁遭受車輛撞擊事故屢見報(bào)端，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害不容忽視，因而提高橋梁抗撞性能是亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)橋梁規(guī)范僅采用靜力設(shè)計(jì)方法，對(duì)于無(wú)法設(shè)置防護(hù)工程的橋梁，汽車對(duì)墩柱的撞擊力順行車方向取1 000kN，橫向車行方向取500 kN，沒有考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的差異，也沒有區(qū)別車輛撞擊時(shí)的行駛狀態(tài)，如車重、車速的影響。美國(guó)規(guī)范也采用類似的靜力設(shè)計(jì)方法。歐洲規(guī)范，除了靜力方法之外，還給出了以階躍荷載為撞擊力的動(dòng)力設(shè)計(jì)方法，但建議的碰撞力幅值和碰撞持續(xù)時(shí)間公式是基于碰撞為硬碰撞（撞擊物吸收全部撞擊動(dòng)能）或軟碰撞（被撞擊物吸收全部碰撞動(dòng)能）假定，因而得出的碰撞力或者高于實(shí)際情況（硬碰撞），或者低于實(shí)際情況（軟碰撞）。現(xiàn)行橋梁規(guī)范有關(guān)車橋碰撞的簡(jiǎn)單規(guī)定已經(jīng)難以滿足實(shí)際工程的需要。

由于車橋碰撞足尺實(shí)驗(yàn)代價(jià)較大，這方面的實(shí)驗(yàn)研究并不多見。Buth等用36.3 t重的汽車以80 km/h的速度撞擊直徑0.9 m的實(shí)心鋼柱，目的在于獲得峰值碰撞力結(jié)果，研究建議采用2 669 kN作為設(shè)計(jì)碰撞力。由于該實(shí)驗(yàn)屬于硬碰撞，因而所建議的碰撞力偏于保守。汽車碰撞橋梁上部結(jié)構(gòu)以及防撞柱的試驗(yàn)研究對(duì)于車撞橋墩具有一定參考價(jià)值。張炎圣、何水濤、陸新征等在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)縮尺的上部橋梁構(gòu)件受罐體沖擊的碰撞試驗(yàn)，由于試驗(yàn)條件限制，碰撞速度設(shè)定為10 km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般車輛行駛速度40～80 km/h。肖巖等用6.8 t重的卡車以42.3 km/h的速度撞擊鋼管混凝土防撞柱，獲得了車身加速度時(shí)程曲線和防撞柱柱頂位移曲線，并對(duì)碰撞試驗(yàn)的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，提出了防撞柱的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。

在車橋碰撞數(shù)值模擬研究方面，EI-Tawil等采用了精細(xì)化車輛模型對(duì)單柱墩支撐的橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了撞擊過(guò)程模擬，給出了碰撞力峰值與對(duì)應(yīng)的等效靜力幅值，但采用的材料模型為彈性材料，無(wú)法反映橋墩在碰撞過(guò)程中的真實(shí)破壞形態(tài)。Thilakarathna等以簡(jiǎn)化的三角形脈沖碰撞力代替車輛撞擊荷載對(duì)建筑物底層柱子進(jìn)行了動(dòng)力分析。Sharma等采用精細(xì)化的汽車模型對(duì)橋墩進(jìn)行了碰撞數(shù)值模擬，給出了對(duì)于橋墩不同抗撞性能水平的動(dòng)態(tài)抗剪承載力和動(dòng)態(tài)剪力需求能力的分析方法。黃紅武等仿真模擬了車輛與公路護(hù)欄的碰撞過(guò)程，指出碰撞分析中，車輛輪胎模型對(duì)碰撞計(jì)算結(jié)果有一定影響。鄧露等分析了車輛行駛中的制動(dòng)狀態(tài)對(duì)車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)的影響效應(yīng)。上述車橋碰撞數(shù)值模擬研究均只是針對(duì)單柱墩橋型，也沒有對(duì)碰撞過(guò)程中橋梁的破壞規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)探討。

為了深入研究城市橋梁下部結(jié)構(gòu)遭受重型車輛撞擊的破壞模式和破壞機(jī)理，本文基于LS-DYNA顯示動(dòng)力分析軟件建立了精細(xì)化重型車輛和具有上部結(jié)構(gòu)及雙柱墩支撐的整體橋梁模型，對(duì)車橋碰撞有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的破壞模式進(jìn)行了探討，并著重對(duì)碰撞力作用位置和幅值變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1車橋碰撞有限元模型的建立

1.1橋梁模型的建立

選擇某典型的城市橋梁結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，上部結(jié)構(gòu)由橋面板、護(hù)欄、支撐橋面的工字型主梁和連接兩跨上部結(jié)構(gòu)的隔梁組成，橋梁下部結(jié)構(gòu)由蓋梁和雙柱墩組成（如圖1所示）。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)并非連續(xù)澆筑，因而只模擬下部結(jié)構(gòu)和其上的兩跨上部結(jié)構(gòu)。

上部結(jié)構(gòu)的橋面板寬度為14.15 m，厚度為0.2m，由6根間距2.4 m的工字型大梁支撐，護(hù)欄高度0.83 m，工字型大梁高度1.14 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)模型根據(jù)文獻(xiàn)建立。橋面板采用分層殼單元，區(qū)分鋼筋層和混凝土層。混凝土護(hù)欄、工字型大梁和隔梁采用梁?jiǎn)卧?，橡膠支座采用離散梁?jiǎn)卧?。由于研究的橋梁碰撞?gòu)件為橋墩，而橋梁受車輛碰撞的破壞模式具有典型的局部效應(yīng)，即直接接觸車輛的構(gòu)件破壞嚴(yán)重而其他構(gòu)件相對(duì)完好的特點(diǎn)，因而本文不考慮上部結(jié)構(gòu)的破壞和掉落的極端情況。上部結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料（MAT001），橡膠支座采用非線性彈性材料（MATS04），這種材料允許在支座豎直方向定義抗壓剛度，受拉剛度為零，水平方向同時(shí)定義拉壓剛度，并且可以定義單元失效，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁下部結(jié)構(gòu)破壞失效時(shí)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)脫離連接。橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

橋梁的下部結(jié)構(gòu)由雙柱墩及蓋梁組成。橋墩為圓形截面，直徑1.07 m，鋼筋保護(hù)層厚度100 mm，縱向鋼筋共10根，直徑35.7 mm，箍筋直徑16mm，間距300 mm。蓋梁長(zhǎng)度13.5 m，高度1.22 m，寬度1.32 m。蓋梁縱筋直徑為19.5 mm和29.9mm，箍筋直徑16 mm。橋墩混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度為28 MPa，蓋梁混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度為23 MPa，鋼筋屈服強(qiáng)度為414 MPa。

橋墩和蓋梁有限元模型全部采用六面體實(shí)體單元，有限元模型的尺寸最小為52 mm，最大尺寸為118 mm，蓋梁和橋墩的混凝土和鋼筋有限元模型如圖3所示。實(shí)體單元采用單點(diǎn)積分公式，為了避免沙漏模式的出現(xiàn)，采用沙漏選項(xiàng)控制沙漏能。在節(jié)點(diǎn)上施加抵抗沙漏的力f^k_iα，

（1）其中Г_αk和h_iα分別由節(jié)點(diǎn)速度和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)確定，

（2）式中：v_e為單元體積；ρ為密度；c是材料聲速；Q_hg是用戶定義的常數(shù)，一般取值0.05～0.15，本文根據(jù)文獻(xiàn)的建議，采用0.05。

規(guī)則區(qū)域鋼筋與混凝土單元之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式滿足變形協(xié)調(diào)。由于混凝土全部采用六面體單元，造成位于橋墩上部的部分蓋梁和蓋梁兩端的部分混凝土網(wǎng)格不均勻，因而這部分混凝土中包含的縱筋和箍筋難以與混凝土實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)完全重合，故改為L(zhǎng)AGRANGE約束方式，放松了鋼筋與混凝土節(jié)點(diǎn)之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。蓋梁和橋墩的縱筋以及與車輛直接碰撞的橋墩的箍筋采用HUGHES_LIU梁?jiǎn)卧愋停渌摻畈捎肨RUSS單元類型。鋼筋采用隨動(dòng)硬化材料模型（MAT003），屈服準(zhǔn)則為Von-Mises屈服準(zhǔn)則，并同時(shí)考慮應(yīng)變率效應(yīng)。鋼筋材料常數(shù)如表1所示，表中C和q為應(yīng)變率參數(shù)。

混凝土本構(gòu)模型為MAT_CSCM，采用簡(jiǎn)單參數(shù)輸入方式，同時(shí)考慮了應(yīng)變率效應(yīng)并采用單元侵蝕算法。

橋墩的靜態(tài)抗剪承載力設(shè)計(jì)值根據(jù)美國(guó)規(guī)范計(jì)算出的結(jié)果為1 518 kN，根據(jù)我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算出的結(jié)果為1 324 kN。整體橋梁模型如圖4所示。橋墩的底部節(jié)點(diǎn)約束3個(gè)方向的位移，上部橋面板兩端的邊界條件為：一端簡(jiǎn)支，一端滾軸支撐。

1.2車輛有限元模型的選擇和建立

車輛模型的原型取自NCAC官網(wǎng)公布的精細(xì)化車輛有限元模型庫(kù)，為福特卡車Ford 800（如圖5（a）所示），與文獻(xiàn)用于碰撞數(shù)值模擬的車型相同。車輛總長(zhǎng)度8.58 m，高度3.32 m，寬度2.44m，前軸和后軸的軸距為5.29 m。載貨后總質(zhì)量分別為10 t和20 t。

為了研究更大噸位的車輛對(duì)橋梁碰撞沖擊破壞的影響，在Ford 800車輛模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加車輛長(zhǎng)度和增加后軸的輪胎并調(diào)整車輛載重獲得30 t，40 t和50 t系列車輛模型（如圖5（b）所示）。新開發(fā)的車輛模型總長(zhǎng)度為13.3 m。車輛前排車輪所在的豎向軸線為A軸，從前往后依次為B軸、C軸和D軸。不同車型的車輛軸重和質(zhì)心高度列于表2中。

2車橋碰撞有限元模型的驗(yàn)證

車橋碰撞過(guò)程接觸算法的參數(shù)取值參考文獻(xiàn)，通過(guò)與三點(diǎn)彎曲梁構(gòu)件落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果的模擬對(duì)比，對(duì)本文材料模型的選擇和碰撞參數(shù)的設(shè)置合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。由于車橋碰撞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較稀缺，車橋碰撞過(guò)程的驗(yàn)證采用以下間接的方式進(jìn)行：1）考察碰撞過(guò)程中的能量平衡曲線；2）與碰撞事故的橋梁破壞形態(tài)定性對(duì)比。以此對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判定。

如果沒有外力對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的總能量就是守恒的。圖6顯示了66 kN重的車輛以110 km/h的速度撞擊6 m高橋墩的橋梁的能量時(shí)程曲線。在車輛與橋墩碰撞接觸之前，系統(tǒng)總動(dòng)能最大。在車輛與橋墩碰撞接觸的過(guò)程中由于車輛前端的大變形和橋墩的塑性變形吸能作用，系統(tǒng)總動(dòng)能不斷下降，總內(nèi)能不斷增加，車輛的速度下降到零之后內(nèi)能與動(dòng)能逐漸達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。在碰撞過(guò)程中總能量曲線是守恒的，沙漏能占內(nèi)能的比例非常小，說(shuō)明沙漏控制良好，數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

為了驗(yàn)證車橋碰撞過(guò)程中橋梁的破壞形式，選擇文獻(xiàn)的事故工況進(jìn)行數(shù)值模擬。由于文獻(xiàn)中的事故工況數(shù)據(jù)不全面，只能定性地判定碰撞破壞形態(tài)的合理性，文獻(xiàn)也是采用類似的方式進(jìn)行驗(yàn)證。事故中的肇事車輛重36.29 t。被撞的橋梁是多跨橋梁，每跨的橋梁下部結(jié)構(gòu)均由3個(gè)并排的雙柱墩和蓋梁組成，最外緣的柱墩被車輛撞壞。從事故圖片（圖7（a））可明顯看出柱墩底部鋼筋裸露，部分混凝土剝落，其他柱墩、蓋梁及橋梁上部結(jié)構(gòu)未見明顯破壞。橋墩直徑762 mm，縱筋共8根，直徑28.65mm，箍筋直徑為9.5 mm，間距為152 mm。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，按照前述的方法建立整體橋梁模型，忽略相鄰跨橋梁的影響。文獻(xiàn)中并未說(shuō)明混凝土強(qiáng)度，本文計(jì)算采用文獻(xiàn)中常見高架橋橋墩的混凝土等級(jí)（圓柱體抗壓強(qiáng)度28 MPa）。由于事故車輛是帶拖車的卡車，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因而選擇改進(jìn)后的重型車輛模型，調(diào)整車輛質(zhì)量與肇事車輛質(zhì)量相同。由于事故報(bào)告中并未報(bào)道車輛的碰撞速度，只提及車輛以很高的速度碰撞，假設(shè)數(shù)值模擬的車輛速度為80 km/h，并從碰撞事故圖片判斷車輛碰撞方向?yàn)闄M橋向。車橋碰撞數(shù)值模擬的結(jié)果如圖7（b）（c）所示，可以看出：數(shù)值模擬結(jié)果與事故橋梁的破壞形態(tài)一致：橋墩下部發(fā)生彎剪破壞，混凝土塊剝落，鋼筋裸露。從而驗(yàn)證了本文計(jì)算模型可以合理地模擬車橋碰撞全過(guò)程。

3車橋碰撞數(shù)值仿真結(jié)果的分析

3.1車橋碰撞中橋梁和車輛的破壞形態(tài)

Sharma等對(duì)車輛撞擊橋墩劃分了3個(gè)損傷等級(jí)，本文根據(jù)Sharma等的方法，把橋梁的下部結(jié)構(gòu)遭遇車輛碰撞的損傷從外觀上分成3個(gè)等級(jí)。

1）完好無(wú)損或輕度損傷：表現(xiàn)為橋墩從外觀上看起來(lái)完好無(wú)損，沒有明顯的裂縫和大變形，只在碰撞的局部區(qū)域混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)。結(jié)構(gòu)整體性能良好，可以不必加固或經(jīng)簡(jiǎn)單加固即可繼續(xù)使用（如圖8（a）所示）。

2）中度損傷：表現(xiàn)為直接碰撞的橋墩出現(xiàn)明顯的大變形，絕大部分橋墩混凝土進(jìn)入塑性狀態(tài)，橋墩出現(xiàn)明顯裂縫，塑性區(qū)域擴(kuò)展至橋墩上面的蓋梁，甚至未受碰撞的橋墩的底部和頂部混凝土進(jìn)入塑性狀態(tài)。橋墩由于車輛前端的局部接觸碰撞表現(xiàn)為剪切破壞形式為主。但結(jié)構(gòu)沒有倒塌，仍然具有殘余承載力，還可以承重，但橋梁下部結(jié)構(gòu)已不能繼續(xù)使用，可以為橋墩構(gòu)件的更換保留一定時(shí)間和空間（如圖8（b）所示）。

3）嚴(yán)重?fù)p傷和倒塌：表現(xiàn)為橋梁下部結(jié)構(gòu)的部分混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落甚至粉碎現(xiàn)象，蓋梁出現(xiàn)大變形，開始傾斜，下部結(jié)構(gòu)有倒塌趨勢(shì)，引起橋梁上部結(jié)構(gòu)有掉落趨勢(shì)。橋墩由于車輛前端的完全擠壓變形，造成車廂與橋墩進(jìn)一步接觸，車輛對(duì)橋梁的作用高度變大，由初期的剪切破壞和后續(xù)的壓彎破壞造成橋梁整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)喪失承載力，橋梁只能進(jìn)行整體更換和重建（如圖8（c）所示）。

與Sharma等不同的是，本文除了給出定性的判斷方法，也給出定量的考察方法。從大量的數(shù)值模擬分析結(jié)果觀察到：直接接觸車輛的橋墩的最大水平位移和橋梁下部結(jié)構(gòu)的混凝土塑性應(yīng)變能是比較容易實(shí)施的衡量指標(biāo)。從碰撞點(diǎn)最大位移方面衡量：對(duì)于完好無(wú)損和輕度損傷等級(jí)，橋墩碰撞點(diǎn)的最大水平位移為0～5 mm，碰撞結(jié)束后能基本恢復(fù)原位，橋梁下部結(jié)構(gòu)的混凝土塑性應(yīng)變能為0～2×10⁷J；對(duì)于中度損傷等級(jí)，橋墩碰撞點(diǎn)的最大水平位移為5～250 mm，并出現(xiàn)不可恢復(fù)永久變形，橋梁下部結(jié)構(gòu)的混凝土塑性應(yīng)變能為2×10⁷～9×10⁸J；對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷和倒塌等級(jí)，橋墩碰撞點(diǎn)的最大水平位移在250 mm以上，橋梁下部結(jié)構(gòu)的混凝土塑性應(yīng)變能達(dá)到9×10⁸J以上。橋墩損傷等級(jí)的劃分，可以為基于性能的橋梁抗撞設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)應(yīng)橋墩的3種破壞形態(tài)，車輛的變形破壞也不同。對(duì)于輕度損傷等級(jí)，車輛與橋墩接觸的部位集中在車輛前端，車輛的初始動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為前端鋼板的塑性變形能，車輛前端最大位移為0～80mm。對(duì)于中度損傷等級(jí)，車輛的動(dòng)能較大，車輛前端被嚴(yán)重壓扁，導(dǎo)致車廂與橋墩的二次碰撞，橋墩產(chǎn)生更大變形，車輛前端最大位移為80～300 mm。對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷等級(jí)，車輛前端完全被壓潰，車廂變形更大，車輛前端最大位移在300 mm以上。需要指出的是，車輛的變形規(guī)律是針對(duì)本文研究的車輛類型，對(duì)于其他類型的車輛，比如小汽車，車輛的變形破壞規(guī)律會(huì)有所不同。

3.2碰撞力作用高度和幅值的變化

碰撞力作用的高度和幅值的確定對(duì)橋梁的抗撞設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值，本節(jié)分析了10～50 t車輛在80 km/h的速度撞擊下碰撞力的幅值和高度的變化規(guī)律以及碰撞過(guò)程的特征。圖9顯示了橋墩高度為4 m的橋梁在20 t和40 t車輛以80 km/h的速度碰撞的破壞形態(tài)。在20 t以下車輛碰撞下，橋墩并沒有明顯的大變形，30 t以上車輛撞擊下，直接碰撞的橋墩位移較大，產(chǎn)生不可恢復(fù)變形。10～50 t車輛撞擊下的直接接觸車輛的橋墩最大水平位移分別為2，5，294，358，530 mm。

碰撞力的作用高度與車輛和橋墩的接觸面積有關(guān)，接觸面積的大小與車輛的速度和質(zhì)量有關(guān)。相同質(zhì)量的車輛，初速度越大，車輛前端變形越大，與橋墩接觸面積越大，碰撞力也越大。圖10顯示了橋墩高度為4 m的橋梁遭受車速為80 km/h的不同質(zhì)量汽車碰撞的碰撞力時(shí)程曲線。碰撞力峰值分別為3.33，6.22，7.81，7.85，10.57 MN。由于車輛慣性作用的不同，碰撞過(guò)程有所差別，最大峰值發(fā)生的時(shí)間也不同，質(zhì)量小的車輛峰值發(fā)生較早，質(zhì)量大的車輛碰撞力峰值發(fā)生較晚。對(duì)于10 t重的車輛，只有車輛的前端與橋墩接觸，峰值發(fā)生較早（0.03 s左右），碰撞力合力作用點(diǎn)分布于600～1100 mm的高度范圍。20 t以上車輛，除了前端與橋墩接觸外，車廂也會(huì)與橋墩發(fā)生二次碰撞，造成峰值發(fā)生較晚（0.2 s左右）。20 t車輛的碰撞合力作用點(diǎn)分布于300～1 100 mm的高度及1600～1900 mm的高度2個(gè)區(qū)域，后者是由于車廂與橋墩的二次碰撞所致。

由于20 t車型的車身比30 t以上車型的車身短，碰撞點(diǎn)比車輛重心位置低，在車廂水平?jīng)_擊的作用下，產(chǎn)生較大的以碰撞點(diǎn)為中心的動(dòng)量矩，車輛運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)模式和豎直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式都很明顯，因而車廂與橋墩的二次碰撞作用明顯。對(duì)于30 t，40 t和50 t車輛的碰撞，由于車身較長(zhǎng)，以水平方向沖量作用為主，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用并不顯著，車輛的運(yùn)動(dòng)形式以平動(dòng)為主，豎直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)較小，碰撞造成車輛前端變形較大，車廂與橋墩充分接觸，碰撞力分布區(qū)域可達(dá)到3 400～3 500 mm的高度范圍。30 t車的碰撞合力中心集中在500～1 200 mm的高度范圍，40 t和50 t車的碰撞力合力中心集中在400～1300 mm的高度范圍。

4結(jié)論

為了分析車橋碰撞的復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程，本文建立了整體橋梁和重型車輛模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室梁構(gòu)件落錘試驗(yàn)對(duì)比以及考察碰撞過(guò)程能量曲線及碰撞破壞形態(tài)，驗(yàn)證了車橋碰撞有限元模型的合理性，并根據(jù)大量數(shù)值分析結(jié)果定性地劃分了橋墩碰撞破壞的損傷等級(jí)，分析了不同質(zhì)量車輛撞擊的碰撞力作用高度和幅值的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）國(guó)內(nèi)外研究橋梁下部結(jié)構(gòu)抗撞性的文獻(xiàn)中大多以單柱墩構(gòu)件為研究對(duì)象，本文建立的包含上部結(jié)構(gòu)的整體橋梁模型能夠考慮碰撞過(guò)程中橋梁整體結(jié)構(gòu)的耦合作用，能更加真實(shí)地體現(xiàn)碰撞全過(guò)程，得出合理的碰撞力結(jié)果。對(duì)比驗(yàn)證表明：橋梁上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單建模而下部受撞部位結(jié)構(gòu)采用精細(xì)化建模的方式是可行的，既提高了計(jì)算效率，又能保證計(jì)算精度。

2）對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)在車輛作用下的損傷等級(jí)進(jìn)行了分類，給出了以碰撞點(diǎn)最大位移和混凝土塑性應(yīng)變能的定量判定標(biāo)準(zhǔn)，可以為橋梁抗撞性能水平的界定提供參考。

3）對(duì)4 m橋墩在80 km/h下不同車輛碰撞作用下的碰撞力位置和幅值進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：隨著車輛質(zhì)量的增大，車輛與橋梁的碰撞接觸面積將增大，并伴隨發(fā)生車廂與橋墩的二次碰撞。碰撞力的分布特征及時(shí)變特征與車橋耦合作用有密切關(guān)系，恒定的碰撞力設(shè)計(jì)方法顯然過(guò)于粗糙，無(wú)法正確反映重型車輛車橋碰撞的基本特點(diǎn)。

車撞力受諸多因素影響，除了橋墩構(gòu)件的結(jié)構(gòu)屬性外，車輛的質(zhì)量、速度以及制動(dòng)狀態(tài)等行駛參數(shù)對(duì)碰撞力也會(huì)產(chǎn)生影響，更廣泛的碰撞力參數(shù)分析結(jié)果將在后續(xù)論文中分別討論。