橋梁復合材料防車撞結構的耐撞性影響因素分析*

方 涵 潘 晉 吳亞鋒 許明財

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (北京汽車股份有限公司汽車研究院2) 北京 101300)(華中科技大學船舶與海洋工程學院3) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司4) 武漢 430070)

橋梁復合材料防車撞結構的耐撞性影響因素分析*

方 涵1)潘 晉1)吳亞鋒2)許明財3,4)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (北京汽車股份有限公司汽車研究院2)北京 101300)(華中科技大學船舶與海洋工程學院3)武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司4)武漢 430070)

設計了一種蜂窩型復合材料橋梁防車撞結構，以鋼板和復合材料管壁厚度為設計變量，通過有限元方法計算，得到不同工況下車輛碰撞防車撞結構時的碰撞力曲線和結構總吸能.針對防車撞結構因存在多種材料而不便比較單位質量下能量吸收的情況，提出了比造價吸能(SEAc)的耐撞性評價指標.分析了防車撞結構鋼板厚度及復合材料管壁厚度對碰撞力和比吸能的影響，并與車輛直接撞擊橋墩的計算結果進行了對比.結果表明，從耐撞性的角度考慮，設計的復合材料防車撞結構中的鋼板厚度及管壁厚度存在著最優(yōu)厚度組合，采用該厚度組合時防車撞結構能在較低造價下提供良好的吸能效果，且橋墩所受的碰撞力滿足我國規(guī)范的相關要求.

橋梁防撞；碰撞力；結構厚度；能量吸收

0 引 言

國內(nèi)外多種規(guī)范對橋梁防車撞進行了規(guī)定，文獻[1]規(guī)定限速在80 km/h以上的公路上跨橋墩需要設置防護結構.文獻[2]規(guī)定當路側安全凈區(qū)內(nèi)有橋墩時需設置防撞護欄.文獻[3]規(guī)定橋梁在必要時可考慮汽車撞擊作用，并把汽車碰撞作為偶然作用計入設計中.張建強等[4]通過有限元模擬泡沫夾芯復合材料防撞裝置的車橋碰撞，分析其抗沖擊性能.吳亞鋒等[5]設計復合材料防車撞結構并進行靈敏度分析和結構優(yōu)化得到結構合理的結構尺寸.張銀喜等[6]利用Abaqus對某種柔性橋墩防撞裝置性能的部分參數(shù)進行了定量的研究，得出不同設計參數(shù)會影響裝置的防撞性能的結論.

目前，橋墩防撞主要有兩種方式：提高橋墩自身的抗撞能力；在橋墩外設置獨立的防車撞結構.獨立防車撞結構可以避免橋墩受到車輛直接碰撞，給橋墩提供更可靠的保護.復合材料具有比強度、比吸能高，抗疲勞性能好，耐腐蝕，易加工成型等優(yōu)點，使其在防船撞領域已經(jīng)有了較為廣泛的應用，但是在防車撞領域目前復合材料的應用仍然較少.文中設計了一種復合材料防車撞結構，通過ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件模擬，研究防車撞結構厚度與結構比吸能、碰撞力之間的關系，并與車輛撞擊橋墩工況對比，分析結構的耐撞性能，得到最佳的結構厚度配比.

1 防車撞結構設計

根據(jù)應力波理論[7]，碰撞力的計算式為

(1)

式中：cv為應力波波速；ρ0為材料密度；A為接觸面積；v為撞擊速度；E為材料的彈性模量.碰撞力由沖擊的初速度和廣義波阻抗決定，在速度一定的情況下選擇廣義波阻抗較低的材料是降低碰撞力最有效的方法.與鋼材相比，纖維增強復合材料密度小、彈性模量低，廣義波阻抗低于鋼材，因此選擇纖維增強復合材料為防車撞結構的主要材料，但是復合材料柔度較大且容易發(fā)生局部材料破壞，單獨采用復合材料可能會導致結構剛度不足，因此，在防車撞結構外增設鋼制外殼為結構提供支撐，同時鋼制外殼在碰撞中產(chǎn)生較大變形，可以使蜂窩結構整體變形，防止其發(fā)生局部破壞.

提高防車撞結構的吸能水平的方法主要有兩種：使用低模量材料提高應力波傳播速度；通過設計合理的結構形式增加應力波的傳播途徑.目前蜂窩結構已經(jīng)廣泛運用在汽車防撞領域，其結構可以有效增加應力波的傳播途徑，使更多材料參與到能量轉換中，蜂窩型結構自身的柔度較大，能在碰撞中產(chǎn)生較大變形，吸收較多的能量，因此，本文采用蜂窩型結構作為防車撞結構的主要結構類型.

汽車碰撞領域通常選擇軸向壓潰結構作為吸能結構，而橋墩防撞需要考慮來各水平方向的汽車撞擊，單一方向的軸向蜂窩管在抵抗非軸向碰撞時耐撞性不理想，因此，本文選擇對各水平方向撞擊均有較好抵抗能力的橫向蜂窩管作為主要結構，防車撞結構見圖1.

纖維增強復合材料的鋪層方式對其性能有較大的影響，根據(jù)復合材料層合板設計的一般規(guī)則[8]選擇含有0°，90°和±45°對稱鋪層的纖維增強復合材料層合板作為蜂窩管壁材料，各個方向的鋪層分別占總鋪層數(shù)的25%，通過有限元計算并比較不同排列方式的復合材料層合板在沖擊作用下的耐撞性能，確定層合板的鋪層排列方式為[0°/90°/45°/-45°] ns.

圖1 防車撞結構內(nèi)部構造示意圖

2 有限元模型

2.1 車輛模型

據(jù)統(tǒng)計，城市內(nèi)普通轎車的最大質量約為1.8 t，因此選用與其質量相近的2.0 t皮卡模型.皮卡模型來自美國國家碰撞中心(National Crash Analysis Center，NCAC)發(fā)布的有限元模型.該車模型質量為2.0 t，該模型中包含了絕大多數(shù)車身構件，發(fā)動機、傳動裝置和散熱器采用實體單元和彈性材料模型，車身和底盤采用殼單元和隨動塑性材料模型，輪胎采用殼單元和橡膠模型，使車輛模型盡量接近實車，經(jīng)過系統(tǒng)驗證，該模型的精確性較好，可以滿足碰撞計算的要求.

2.2 橋墩模型

本文中橋墩模型尺寸選擇某鐵路橋梁橋墩的尺寸參數(shù)，橋墩采用SOLID164單元模擬，樁身采用BEAM161單元模擬，土對樁身的抗力采用COMBI165單元模擬，橋墩采用標號為C40混凝土，混凝土采用Brittle Damage本構模型，該模型基于損傷力學，將鋼筋-混凝土視為一個整體，能夠模擬拉伸斷裂行為，適合模擬鋼筋混凝土實體單元模型.樁底約束豎直方向的位移，彈簧一端與樁身共節(jié)點連接，另一端則約束全部方向位移.

2.3 防車撞結構模型

防車撞結構有限元模型見圖2.防車撞結構中的纖維增強復合材料層合板和外層支撐鋼板均采用SHELL163單元模擬，其中鋼板采用隨動塑性材料模型(PLASTIC_KINEMATIC)，纖維增強復合材料容易在碰撞中發(fā)生纖維斷裂、基體開裂等材料損傷，造成蜂窩結構強度和剛度下降，因此采用考慮材料失效的54/55-ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE模型，復合材料的材料屬性和鋼板材料屬性見表1～2.

圖2 防車撞結構有限元模型

力學性能0°彈性模量/GPa90°彈性模量/GPa面內(nèi)泊松比面內(nèi)剪切模量/GPa0°拉伸強度/MPa數(shù)值60130.33.41800力學性能0°壓縮強度/MPa90°壓縮強度/MPa90°拉伸強度/Pa徑向剪切強度/MPa密度/(kg·m-3)數(shù)值6504090502100

表2 鋼材料參數(shù)

在碰撞過程中，防車撞車結構自身可能會發(fā)生內(nèi)部構造的相互接觸，因此設置防車撞結構自身的自接觸，在車輛與防車撞結構之間設置面面接觸.根據(jù)防車撞結構在安裝后的實際約束情況，約束其背撞面所有節(jié)點的平動位移.

3 工況設計

根據(jù)文獻[9]規(guī)定同方向只有1條機動車道的道路，車速在城市道路為50 km/h，公路為70 km/h.因此，本文中汽車碰撞速度取70 km/h.

以防車撞結構外層鋼板厚度和蜂窩管壁厚度為設計變量.復合材料單層厚度為0.2 mm，根據(jù)對稱鋪層原則，蜂窩型管壁復合材料層數(shù)分別取8,16和24層，三種鋪層方式下管壁厚度分別為1.6,3.2和4.8 mm，根據(jù)我國熱軋鋼板厚度規(guī)格和鋼板焊接工藝，外層鋼板厚度取2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5 mm，因此，不同外層鋼板厚度和蜂窩型管壁厚度組合的防車撞結構共有18種.計算中包括車輛碰撞上述18種防車撞結構的工況，同時還增加了1個車輛直接碰撞橋墩的計算工況作為對比，共有19種計算工況.

4 結果分析

4.1 車—橋碰撞過程

圖3為車輛直接撞擊橋墩的碰撞力時間歷程曲線，碰撞過程歷時0.14 s，碰撞力曲線在碰撞中產(chǎn)生了2個波峰，第一個波峰產(chǎn)生在0.014 s，此時保險杠被壓潰后與車體發(fā)生擠壓，第二個波峰產(chǎn)生在0.036 s，此時發(fā)動機等內(nèi)部結構與前方壓潰的車體發(fā)生接觸，隨后碰撞力開始降低并在0.14 s時刻降到0，碰撞力曲線的峰值為3.02 MN.

圖3 車輛-橋墩碰撞力

車輛直接碰撞橋墩時的碰撞力為3.02 MN，高于文獻[2-3]的要求，因此，按照規(guī)范設計值設計出的橋墩不能滿足車輛碰撞力的要求，需要在橋墩外設置防車撞結構以保護橋墩安全.

文中設計的防車撞結構由鋼板和復合材料蜂窩管等薄壁結構組成，結構厚度了決定結構的剛度，當結構厚度較高時，結構整體剛度大、變形小，在碰撞中可能產(chǎn)生碰撞力較大或結構吸能效果不佳等不良狀況.合理的結構厚度設計對于防車撞結構的耐撞性能至關重要，因此，將研究防車撞結構各部分厚度對碰撞力和結構吸能的影響.

4.2 鋼板厚度對碰撞力的影響

保持蜂窩管壁厚度不變，改變外層鋼板厚度，得到碰撞力曲線見圖4.

圖4 鋼板厚度變化時的碰撞力曲線

由圖4可知，在車-防車撞結構碰撞開始的初期(t<0.014 s)，鋼板厚度的變化幾乎不影響防車撞結構的碰撞力大小，但隨著碰撞過程的進行，碰撞力峰值隨鋼板厚度增加而增加.同時，車輛碰撞防車撞結構的碰撞力曲線與碰撞橋墩時的碰撞力曲線均含有兩個波峰，說明車身碰撞防車撞結構時發(fā)生了與直接碰撞橋墩相似的壓潰模式.當管壁厚度為1.6 mm(見圖4a)),鋼板厚度較低時，碰撞力到達峰值歷時較長，碰撞力曲線比較平緩，隨著鋼板厚度增加，碰撞力曲線逐漸變陡，碰撞力曲線形狀保持不變，峰值對應時間不發(fā)生變化，只有峰值隨著鋼板厚度增加而增加.當管壁厚度為3.2 mm(見圖4b))，碰撞力曲線變化趨勢與1.6 mm時相似，鋼板厚度大于2.0 mm時，碰撞力曲線趨勢開始變陡，碰撞力峰值產(chǎn)生時刻不發(fā)生變化.當管壁厚度為4.8 mm(見圖4c))，碰撞力曲線形狀不再隨厚度變化而變化，只有峰值隨厚度增加而增加.因此，鋼板厚度越低，碰撞中產(chǎn)生的碰撞力峰值越低，碰撞力曲線越平緩.

4.3 復合材料管壁厚度對碰撞力的影響

不改變外層鋼板厚度，調(diào)整蜂窩型復合材料管壁厚度，得到的碰撞力曲線見圖5.

圖5 復合材料厚度變化時的碰撞力曲線

由圖5可知，當鋼板厚度不變時，碰撞力峰值隨復合材料壁厚增加而增加，圖5a)～b)中，隨著蜂窩管壁厚度增加，碰撞力曲線逐漸變陡，碰撞力曲線趨勢變化較大.圖5c)～f)中，碰撞力曲線形狀基本保持一致，碰撞力峰值發(fā)生時刻不再隨管壁厚度的變化而變化，只有碰撞力峰值隨管壁厚度增加而增加，改變復合材料厚度不再改變碰撞力曲線.

因此，由圖4～5可知，當鋼板厚度較低時，鋼板剛度較低容易產(chǎn)生較大變形，此時結構內(nèi)部的蜂窩管可以參與到變形中，蜂窩管壁厚度越高結構整體剛度越高，蜂窩管壁厚度決定結構剛度.隨著鋼板厚度增加，鋼板厚度在防車撞結構的剛度中起決定性作用，復合材料蜂窩結構幾乎不參與變形，管壁厚度對碰撞力曲線形狀影響很小.

車輛撞擊不同厚度配比的防車撞結構的碰撞力峰值見表3，圖6為與表3對應的碰撞力峰值散點圖，圖中同時對比了文獻[2-3]中關于橋墩碰撞力的設計值.由圖6可知，碰撞力峰值隨鋼板厚度增加而增加，蜂窩管壁厚度對碰撞力峰值的影響隨鋼板厚度增加而減小，當結構剛度增加到某個較大的值時，碰撞力峰值幾乎不隨厚度變化而變化.同時也可以看出，在計算工況中，不是所有的鋼板及管壁厚度組合而成的防車撞結構都能滿足文獻[3]的要求，因此，防車撞結構中鋼板及蜂窩管壁厚度的匹配應通過計算驗算后選用.

表3 碰撞力峰值 MN

圖6 碰撞力峰值散點

在車橋碰撞過程中，不僅要求橋墩受到的碰撞力低于規(guī)范設計值，還要求車內(nèi)乘員受到的沖擊低于人體耐受極限，這就要求碰撞力曲線不能劇烈波動，峰值盡量低，在此情況下車內(nèi)乘員在碰撞中受到的瞬時加速度比較低，可以保障車內(nèi)乘員安全.

圖7為車輛直接碰撞橋墩及分別碰撞兩種防車撞結構(管壁厚度1.6 mm，鋼板厚度2.0 mm及2.5 mm)時的碰撞力時程曲線.

圖7 橋墩碰撞力和防車撞結構碰撞力對比

由圖7可知，汽車碰撞防車撞結構后的碰撞力峰值均遠低于直接碰撞橋墩時的碰撞力，使用防車撞結構后碰撞力峰值分別降低了77%和73%.同時，相對于直接碰撞橋墩，使用防車撞結構后的碰撞力曲線較為平緩，可以起到保護橋墩的作用.

4.4 防車撞結構厚度組合對耐撞性的影響

結構耐撞性的評價指標是比吸能(SEA)，一般定義為總吸能(TEA)與質量(m)的比值.

由于設計的復合材料防車撞結構中采用了鋼、纖維增強復合材料兩種密度相差較大的材料，以單位質量下的吸能來評價防車撞結構的耐撞性并不合理，因此，采用單位造價下的總吸能(后稱“比(造價)吸能”)為評價標準，其表達式為

(2)

式中：c為結構總造價.

圖8為不同鋼板及管壁厚度組合下的防車撞結構比(造價)吸能對比圖.

圖8 防車撞結構比吸能

由圖8可知，防車撞結構的比吸能隨鋼板厚度的增加而降低.但受鋼板厚度影響較大，鋼板厚度較低時，降低復合材料厚度時結構比吸能增幅較大，而鋼板厚度較高時，蜂窩管壁厚度的變化對比吸能的影響作用不明顯.

4.5 最優(yōu)厚度組合

根據(jù)文獻[3]，橋墩的撞擊力設計值為1.0 MN，圖10陰影部分標出了碰撞力低于公路規(guī)范設計值的鋼板及蜂窩管壁厚度組合.由圖10可知，當鋼板厚度在2.0～3.0 mm、蜂窩管壁厚度為1.6 mm時，防車撞結構比吸能較高，且碰撞力在規(guī)范許可范圍之內(nèi).

不同厚度組合下防車撞結構的變形情況有較大不同，鋼板厚度為2.0 mm時防車撞結構變形嚴重，雖然碰撞能量吸收最多，但是車輛撞深幾乎等于防車撞結構的厚度，碰撞車輛可能會接觸到橋墩；鋼板厚度為3.0 mm時防車撞結構的變形較小，能量吸收率較小，橋墩所受的碰撞力較大；而鋼板厚度為2.5 mm時防車撞結構有較大變形，能量吸收率也較高.綜合考慮防車撞結構的變形及能量吸收，采用鋼板厚度2.5 mm、復合材料管壁厚度1.6 mm的防車撞結構較為合適.

5 結 論

1) 防車撞結構通過自身的變形吸收車輛動能，可以保護橋墩和車輛的安全.對比車輛撞擊橋墩工況，安裝防車撞結構后的車輛碰撞力比無防撞結構時下降了50%以上，防車撞結構在保護橋墩的同時降低了車內(nèi)乘員在碰撞中所受的沖擊，防車撞結構的能量吸收作用明顯.

2) 防車撞結構的耐撞性能由復合材料管壁厚度和外鋼板厚度組合決定，鋼板使結構發(fā)生整體變形，防止復合材料蜂窩管局部失效影響結構整體的能量吸收.在復合材料管壁厚度相同的情況下，鋼板厚度越小，比吸能越大，橋墩所受的碰撞力越小，但防車撞結構的變形也就越大；而在鋼板厚度相同的情況下，復合材料管壁厚度越小，同樣是比(吸能越大、橋墩所受的碰撞力越小，但當鋼板厚度高于一定值時，復合材料管壁厚度的變化對比吸能的影響作用不明顯.

3) 綜合考慮結構變形、碰撞力及比吸能等因素，通過數(shù)值仿真的方法比較了多工況下車輛與防車撞結構碰撞的結果，給出了外鋼板厚度與復合材料管壁厚度的最優(yōu)厚度組合.

[1]British Standards Institution. Steel, concrete and composite bridges—part 2 specification for loads: BS5400-2-2006[S]. Britain：British Standards Institution，2006.

[2]Texas Department of transportation. Bridge design manual: LRFD SI-1—1994[S]. America:AASHTO,1994.

[3]中交公路規(guī)劃設計院.公路橋涵設計通用規(guī)范:JTG D60-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]張建強,劉偉慶.設置新型復合材料防撞裝置的車—橋碰撞數(shù)值模擬[J].中外公路,2011(6):200-204.

[5]吳亞鋒,潘晉,方涵,等.橋梁復合材料防車撞結構的參數(shù)靈敏度分析及耐撞性優(yōu)化[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2017，41(2)：228-234.

[6]張銀喜,陳彥北.橋墩防撞裝置性能參數(shù)研究[J].公路交通科技(應用技術版),2014(3):235-237.

[7]王禮立.應力波基礎[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[8]董銀飛.汽車復合材料碰撞吸能裝置設計與仿真方法研究[D].淄博：山東理工大學,2014.

[9]國務院法制辦政法司.中華人民共和國道路交通安全法實施條例[S].北京：人民交通出版社，2004.

Crashworthiness Parameters Analysis of Bridge Composite Protection Structures

FANG Han1)PAN Jin1)WU Yafeng2)XU Mingcai3,4)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Baic Motor Corporation Ltd. R&D Center, Beijing 101300, China)2)(School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)3)(Wuhan Lituo Bridge Protection Technology Co. Ltd., Wuhan 430040, China)4)

A honeycomb steel-composite protection structure is designed in this paper, and the thicknesses of steel and composite are considered as the design variables. By finite element method, collision force curve and total energy absorption are acquired in car-structure collision. Moreover, SEAc is proposed as the crashworthiness assessment indicator since it is difficult to compare the energy absorption per unit mass for the structure with several kinds of materials. The influence of the structure thickness on crashworthiness is analyzed and compared with the car-bridge collision condition. The result indicates that an optimal combination of steel thickness and composite thickness exists from the perspective of crashworthiness. Based on this optimal combination, the honeycomb steel-composite protection structure can provide good energy absorption effect with lower costs and the collision forces satisfy the national standards of China.

bridge anti-collision; collision force; structural thickness; energy absorption

2017-04-06

*國家自然科學基金青年基金項目(51609192)、浙江省近海海洋工程技術重點實驗室開放基金項目(ZJOELAB-1602)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(2017IVB007)資助

TH212

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.030

方涵(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為工程結構碰撞問題及防撞裝置設計