基于ANSYS 的鋼桁架橋汽車(chē)撞擊分析

唐 楊

（重慶交通大學(xué) 重慶 400074）

近年來(lái)，橋梁由于受到撞擊荷載導(dǎo)致橋梁受損甚至倒塌的災(zāi)害頻發(fā)，相關(guān)課題組對(duì)2000 年以來(lái)國(guó)內(nèi)91 起橋梁倒塌事故進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，撞擊（船舶或者車(chē)輛）是僅次于洪水災(zāi)害造成橋梁倒塌的重要因素[1-2]。深圳大學(xué)的周海俊[3]研究了美國(guó)1989 年到2000 年間503 座大橋的失效案例，其中20%是由于超載和側(cè)向撞擊所致。由此可見(jiàn)，橋梁由于撞擊而受損或者倒塌是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

橋梁受到外來(lái)撞擊，主要來(lái)自車(chē)輛和船舶，在船舶撞擊方面，主要研究撞擊橋墩[4-5]的問(wèn)題。在車(chē)輛撞擊方面，由于車(chē)輛超高的問(wèn)題，撞擊點(diǎn)可能出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)，查閱目前橋梁撞擊的相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)橋墩受到撞擊的研究較多[6-9]，而對(duì)于上部結(jié)構(gòu)受到撞擊作用的研究較少[10-11]。本文將根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的相關(guān)規(guī)定對(duì)一座鋼桁架橋進(jìn)行撞擊受力分析。

1 工程概況及有限元模型建立

鋼桁架橋全長(zhǎng)64 m，高5.5 m，兩片主梁橫向間距5 m，一半結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鋼桁架橋采用三種不同的工字型桿件，上、下弦桿采用的工字型桿件高0.4 m，寬0.4 m，鋼板厚度20 mm，腹桿采用的工字型桿件高0.3 m，寬0.3 m，鋼板厚度16 mm，縱梁之間的橫梁采用的工字型桿件高0.4 m，寬0.4 m，鋼板厚度20 mm，橋面板采用Q345 鋼板，板厚8mm。Q345 鋼材彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，容重78 kN/m3。

采用ANSYS 18.0 建立有限元模型，鋼桁架采用Beam188 單元，鋼橋面板采用Shell181 單元，撞擊力采用節(jié)點(diǎn)力施加，其有限元模型如圖2 所示，結(jié)構(gòu)分析中采用的單位制為N、m、Pa。

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[12]中4.4.3 條的規(guī)定，汽車(chē)撞擊力設(shè)計(jì)值在車(chē)輛行駛方向應(yīng)取1 000 kN，在車(chē)輛行駛垂直方向應(yīng)取500 kN，兩個(gè)方向的撞擊力不同時(shí)考慮，撞擊力作用于行車(chē)道以上1.2 m 的位置。簡(jiǎn)化考慮將撞擊作用點(diǎn)下移到行車(chē)道平面，同時(shí)在行車(chē)道與鋼桁架的節(jié)點(diǎn)位置施加相應(yīng)的力矩。由于該橋?yàn)楹?jiǎn)支結(jié)構(gòu)，橫橋向撞擊位置考慮在跨中截面較為不利，本文分析的撞擊位置都考慮為跨中。

圖1 一半鋼桁架結(jié)構(gòu)

圖2 全橋整體有限元模型

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 橫橋向撞擊結(jié)構(gòu)受力分析

由于規(guī)范中規(guī)定兩個(gè)方向的撞擊力不同時(shí)考慮，先施加橫橋向撞擊力進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，橫橋向施加500kN 集中荷載，600 kN·m 等效彎矩。鋼桁架橋的總位移云圖如圖3，橫橋向位移云圖如圖4，結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力云圖如圖5。

圖3 橫橋向撞擊總位移云圖

圖4 橫橋向撞擊橫橋向位移云圖

圖5 橫橋向撞擊Mises 應(yīng)力云圖

由圖3 和圖4 可以看出，在橫橋向撞擊作用下，鋼桁架橋的總位移最大值出現(xiàn)在跨中位置的上弦桿，達(dá)到16.7 mm，其中橫橋向位移達(dá)到16.0 mm。由此可見(jiàn)，在橫橋向的撞擊作用下，鋼桁架橋主要發(fā)生橫橋向位移。

由圖5 可以看出，鋼桁架橋在橫橋向撞擊作用下，其最大Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在跨中位置的鋼橋面板的邊緣，達(dá)到10.1 MPa。

2.2 順橋向撞擊結(jié)構(gòu)受力分析

圖6 順橋向撞擊總位移云圖

圖7 順橋向撞擊順橋向位移云圖

順橋向施加1000kN 集中荷載，1200 kN·m 等效彎矩，得到鋼桁架橋的總位移云圖如圖6，橫橋向位移云圖如圖7，結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力云圖如圖8。

由圖6 和圖7 可以看出，鋼桁架橋在順橋向撞擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大總位移為1.9 mm，遠(yuǎn)小于橫橋向撞擊作用下的位移，其中順橋向的最大位移為0.6 mm。由圖8 可以看出，最大Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在跨中位置附近的鋼橋面板的邊緣，達(dá)到4.7 MPa。

圖8 順橋向撞擊Mises 應(yīng)力云圖

圖9 橫橋向撞擊

根據(jù)以上橫橋向撞擊作用和順橋向撞擊作用下的結(jié)構(gòu)受力分析來(lái)看，橫橋向撞擊作用力雖然小于順橋向撞擊作用力，但是橫橋向撞擊起到控制作用，橫橋向撞擊作用下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力遠(yuǎn)大于順橋向撞擊作用下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。

3 特征值分析

3.1 橫橋向撞擊特征值分析

圖10 橫橋向受力特征值分析

橫橋向撞擊力不變，對(duì)橫橋向撞擊進(jìn)行特征值分析，模態(tài)數(shù)設(shè)置為10，得到橫橋向撞擊下不同模態(tài)所對(duì)應(yīng)的特征值，其特征值大小變化曲線如圖9 所示，提取前5 階模態(tài)下結(jié)構(gòu)的變形云圖，如圖10所示。

由圖9 可以看出，橫橋向撞擊作用下的最小特征值為5.8，之后特征值在14 和24 附近較為集中，雖然特征值分析中沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，但最小特征值較大，鋼桁架橋在橫橋向撞擊作用下發(fā)生失穩(wěn)的可能性較低。

由圖10 可以看出，起初結(jié)構(gòu)在受力位置附近發(fā)生較大的位移，接著結(jié)構(gòu)失穩(wěn)會(huì)出現(xiàn)在活動(dòng)支座一側(cè)的絕大部分區(qū)域。由此可見(jiàn)，當(dāng)撞擊力較?。ㄌ卣髦递^?。r(shí)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)只發(fā)生在撞擊點(diǎn)位置附近的局部區(qū)域，撞擊力較大（特征值較大）時(shí)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)逐漸擴(kuò)展到全橋，變形最大的位置出現(xiàn)在活動(dòng)支座一側(cè)的上弦桿。

3.2 順橋向撞擊特征值分析

圖11 順橋向撞擊特征值

順橋向撞擊力不變，對(duì)順橋向撞擊進(jìn)行特征值分析，模態(tài)數(shù)設(shè)置為10，得到順橋向撞擊下不同模態(tài)所對(duì)應(yīng)的特征值，其特征值大小變化曲線如圖11 所示，提取前5 階模態(tài)下結(jié)構(gòu)的變形云圖，如圖12所示。

圖12 順橋向受力特征值分析

由圖11 可以看出，順橋向撞擊作用下的最小特征值為16.9，與橫橋向撞擊作用下的最小特征值相比較大，由此可見(jiàn)在順橋向撞擊力下，鋼桁架橋具有足夠的穩(wěn)定性。

由圖12 可以看出，鋼桁架橋在順橋向撞擊作用下，結(jié)構(gòu)整體上的失穩(wěn)規(guī)律與橫橋向撞擊下相似。撞擊力較?。ㄌ卣髦递^?。r(shí)，失穩(wěn)的位置出現(xiàn)在撞擊點(diǎn)附近的局部區(qū)域，尤其是撞擊點(diǎn)位置的上弦桿和橋面板存在較大變形，當(dāng)撞擊力較大（特征值較大）時(shí)，活動(dòng)支座一側(cè)的上弦桿和橋面板變形較大。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上鋼桁架橋在橫橋向撞擊作用和順橋向撞擊作用下的受力分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）根據(jù)受力分析可見(jiàn)，鋼桁架橋在撞擊荷載作用下結(jié)構(gòu)變形較小，應(yīng)力較低，同時(shí)從特征值分析來(lái)看，其最小特征值較大，鋼桁架橋有較強(qiáng)的抗撞擊能力。

（2）橫橋向撞擊力雖然小于順橋向撞擊力，但橫橋向撞擊下鋼桁架橋的變形和應(yīng)力遠(yuǎn)大于順橋向撞擊下鋼桁架橋的變形和應(yīng)力，且橫橋向撞擊下的最小特征值約為順橋向撞擊下的最小特征值的三分之一，可見(jiàn)橫橋向撞擊下結(jié)構(gòu)更為危險(xiǎn)。

（3）從車(chē)輛撞擊荷載作用下的各階模態(tài)來(lái)看，當(dāng)撞擊力較小時(shí)，鋼桁架橋主要在撞擊點(diǎn)附近出現(xiàn)局部較大變形，當(dāng)撞擊力較大時(shí)，鋼桁架橋的活動(dòng)支座一側(cè)會(huì)出現(xiàn)最大的變形，并逐漸影響到固定支座一側(cè)。