聚氨酯泡沫防撞材料裹覆橋墩的車輛撞擊數(shù)值模擬

胡峰強，林嘉盛，熊 鑫，馬 驥，胡思聰

(南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330031)

近30年來，我國橋梁數(shù)量急劇增加，與此同時，橋梁也遭受著嚴重破壞的威脅，其中，汽車撞擊橋墩事故不僅可能造成汽車損壞乘員受傷，甚至造成橋墩和結(jié)構(gòu)的整體倒塌和交通系統(tǒng)癱瘓。因此通過合理防撞設(shè)計保護橋梁是當(dāng)前工程界亟需解決的問題。

傳統(tǒng)的橋墩防撞設(shè)計方法往往是在橋墩周圍安裝保護裝置，讓橋墩在受到撞擊時能夠得到緩沖，降低破壞風(fēng)險。voyiadjis等[1]對美國和其他國家的橋梁防撞裝置進行了總結(jié)分類，將防撞裝置具體分為兩類，分別為主動防撞和被動防撞；潘晉[2]采用鋼-纖維增強復(fù)合材料組合以及蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型鋼夾層填充GFRP的蜂窩防撞結(jié)構(gòu)，并通過試驗與有限元模擬驗證了其防撞效果；Sherif EI-Tawil,P.E.[3]通過數(shù)值模擬技術(shù)，研究車-橋碰撞下的沖擊響應(yīng)，研究表明車輛撞擊過程中，會出現(xiàn)兩個峰值，兩個峰值之間的時間間隔非常短；劉海證[4]等采用ANSYS/LS-DYNA研究對比了車輛撞擊裸墩、外包混凝土橋墩、泡沫鋁外包混凝土這三種情況，模擬結(jié)果表明，泡沫鋁外包混凝土能夠降低車輛、橋墩的變形能，延長撞擊時間；張于曄[5]采用LS-DYNA模擬了泡沫鋁材料受車輛撞擊的全過程。結(jié)果表明:采用泡沫鋁防撞裝置后,撞擊過程中大部分能量被防撞裝置吸收,泡沫鋁防撞裝置可起到同時保護橋墩與車輛的作用。然而，由于各種防撞裝置的性能差異較大，防撞效果不盡人意，因此需要設(shè)計一種簡便可靠的防撞裝置。

本文設(shè)計了一種鋼套箱-聚氨酯(PU)填充層的防撞裝置，建立等效車輛和橋墩防撞裝置的有限元模型，以鋼板厚度、PU層厚度為自變量，分析鋼板、PU層吸收能量以及撞擊力的折減情況。

1 防撞裝置

聚氨酯(PU)泡沫材料[6]根據(jù)硬度可分為硬質(zhì)泡沫、半硬質(zhì)泡沫和軟質(zhì)泡沫。PU泡沫材料多為泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔內(nèi)有發(fā)泡氣體，具有密度低、硬度和強度相對較好的特點，而PU泡沫材料的耐腐性也較好，所以PU泡沫材料在建筑、化工、船舶、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與半硬質(zhì)泡沫和軟質(zhì)泡沫相比，硬質(zhì)泡沫的吸能效果相對更好。

本文采用的防撞結(jié)構(gòu)形式是由外層鋼板組成的鋼套箱與內(nèi)部PU填充材料共同組成的鋼套箱-PU填充層的防撞裝置。整個防撞裝置高2.7 m，外徑直徑1.86 m，內(nèi)徑直徑1.02 m，即構(gòu)成圖1所示的橋墩防車撞裝置。

圖1 防撞裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of anti-collision device

2 有限元模型的建立

2.1 防撞裝置模型

防撞裝置由鋼套箱與PU填充材料共同組成，鋼套箱采用厚度為10 mm的Q 235鋼板，內(nèi)部填充材料采用厚度為40 cm的PU硬質(zhì)泡沫材料。鋼板采用SHELL 163單元，同時對鋼板進行耦合讓其整體受力，填充材料采用SOLID 164單元。鋼材密度ρ為7 850 kg·m-3，彈性模量E為2.1×1011Pa，泊松比μ為0.3，屈服應(yīng)力σ為235 MPa，切線模量G為1×103MPa，PU材料的密度ρ為120 kg·m-3，彈性模量E為17.67 MPa,泊松比μ為0.3。

2.2 車輛模型

由于車輛撞擊橋墩是一個極其復(fù)雜的過程，其中關(guān)鍵問題是如何選擇和確定車輛模型。根據(jù)黃儼[7]的統(tǒng)計結(jié)果，車輛撞擊橋墩的事故中，接近90%的車輛是中型車輛，而且陳林[8]也根據(jù)有限元模擬的結(jié)果得出結(jié)論，中型車輛可以通過調(diào)整貨物配重取得與重型車輛一樣的碰撞效果。由于目前國內(nèi)缺少標(biāo)準(zhǔn)化車輛模型，因此本文選取中型車輛模型進行研究，采取質(zhì)量和剛度等效方法建立一種簡化車輛模型進行撞擊分析。

簡化車輛模型外觀尺寸參考東風(fēng)天錦KS 160卡車，模型尺寸(長×寬×高)為6 m×2.45 m×2.7 m，車重10.83 t。車輛模型分為車廂與貨物兩部分，車廂建模[9]采用的是SHELL 163單元，材料選用分段線性塑形材料，貨物建模采取SOLID 164實體單元，為彈性材料。車輛模型網(wǎng)格劃分統(tǒng)一為10 mm。

2.3 橋墩模型

根據(jù)文獻[10]中建議，城市跨線橋梁墩柱直徑一般大于1 m，高度大于6 m。為了模擬最不利情況下墩柱的損傷狀態(tài)，本文橋墩直徑取為1 m，高6 m，C30混凝土；縱筋采用直徑25 mm的HRB 335的鋼筋，箍筋采用直徑8 mm的R235的鋼筋。鋼筋本構(gòu)模型采用塑形隨動強化模型，遵守Von-Mises屈服準(zhǔn)則，密度ρ為7 850 kg·m-3，彈性模量E為210 GPa，泊松比μ為0.3，縱筋屈服應(yīng)力為σ0為335 MPa，箍筋屈服應(yīng)力σ1為235 MPa。

岳哲[11]認為墩頂自由與墩頂固結(jié)時的最大撞擊力誤差為7%，可忽略撞擊過程中上部結(jié)構(gòu)的影響。本文橋墩邊界條件為墩底固結(jié)，墩頂自由。

混凝土和鋼筋[12]分別采用SOLID 164和BEAM 161單元模擬，橋墩網(wǎng)格均劃分為50 mm。

2.4 接觸條件

有限元模擬采用面面接觸方式來定義車輛與防撞裝置、防撞裝置與橋墩、車輛與橋墩的接觸。車輛與防撞裝置靜、動摩擦系數(shù)均取0.2；防撞裝置內(nèi)部、防撞裝置與橋墩均取靜摩擦系數(shù)0.3，動摩擦系數(shù)0.2。

3 有限元分析

3.1 計算工況

根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》[13]規(guī)定，市內(nèi)車速不得高于80 km·h-1，為了使結(jié)果更具有普遍性與適用性，汽車模型以60 km·h-1的速度正面撞擊橋墩。

綜合考慮不同鋼板厚度、PU材料厚度等結(jié)構(gòu)設(shè)計因素，具體設(shè)計計算工況見表1。

表1 有限元模擬計算工況Table.1 Calculation condition of finite element simulation

3.2 不同鋼板厚度對防撞效果的影響

鋼板厚度分別取4，6，8，10 mm，PU硬質(zhì)泡沫材料厚度取40 cm，整個裝置高為2.7 m。4個工況能量轉(zhuǎn)化結(jié)果見表2。防撞裝置吸能情況見表3。

表2 能量轉(zhuǎn)化表Tab.2 Energy conversion

表3 防撞裝置吸能情況Tab.3 Energy absorption of anti-collision device

劉思明[14]提出，只有沙漏能低于總能量的10%，計算結(jié)果方可視為有效。由此可見，全部有限元模擬結(jié)果均有效。

由表3可知：(1)當(dāng)鋼板厚度變大時，鋼套箱的剛度隨之變大，變形能力減弱，鋼板吸收能量少，吸能效果差；當(dāng)鋼板厚度變小時，鋼套箱的剛度隨之變小，變形能力增強，鋼板吸收能量多，吸能效果得到改善。(2)防撞裝置以鋼材吸收能量為主，而PU層吸收能量僅占裝置吸收能量的20%左右。

鋼板厚度變化時，車輛與防撞裝置之間、防撞裝置與橋墩之間的撞擊力時程如圖2(a)～2(d)所示，圖3為裸墩的撞擊力時程圖。

由圖2、圖3可知：撞擊力峰值均出現(xiàn)在防撞裝置與橋墩的撞擊之間，撞擊力大小為2.4～2.5 MN。裸墩的車輛撞擊力峰值為2.9 MN，加裝防撞裝置后，撞擊力峰值為2.3 MN，峰值的折減率接近18%，表明防撞裝置能有效的降低車輛與橋墩之間地撞擊力。

t/s(a) 4 mm鋼板工況

t/s圖3 裸墩撞擊力變化圖Fig.3 Variation diagram of impact force of bare pier

3.3 不同PU材料厚度對防撞效果的影響

對不同PU材料厚度參數(shù)進行對比，PU硬質(zhì)泡沫材料的厚度分別取40 cm、50 cm，其他條件均相同：鋼板厚度均取4 mm。

由于車廂是車輛部分主要吸收能量部分，貨箱部分吸收的能量非常小，可以忽略，車廂吸能情況如表4所示。

表4 防撞裝置吸能情況Table.4 Energy absorption of anti-collision device

由表4可知：(1)在PU層厚度從40 cm增加到50 cm的過程中，鋼板的面積和PU層的厚度均有所增加，能量吸收的增加主要依賴鋼板，這說明鋼板面積的增加，防撞裝置的能量吸收有所增加。(2)PU層厚度增加時，其單位體積吸收的能量減少。(3)當(dāng)PU層厚度從40 cm變?yōu)?0 cm時，鋼板更加容易變形，防撞裝置總吸收能量增加，但是此時車廂吸收能量卻減少，車廂吸收能量下降量大于防撞裝置裝置吸收能量之增加量，故防撞裝置與車廂吸收的總能量之和減少。

PU層厚度變化時，車輛與防撞裝置之間、防撞裝置與橋墩之間的撞擊力時程如圖4(a)～4(b)所示。

t/s(a) 40 cmPU層工況

由圖4可以得出：(1)車輛與防撞裝置撞擊力峰值、防撞裝置與橋墩撞擊力峰值與無防撞措施時相比均有減小，最大撞擊力峰值均出現(xiàn)在防撞裝置與橋墩的撞擊作用中。(2)當(dāng)PU層厚度從40 cm變?yōu)?0 cm時，防撞裝置與車廂吸收的總能量反而減小，由于初始總能量相同，40 cm PU時防撞裝置與車廂吸收的總能量多，故動能相對較小，其撞擊力峰值就相對較小，而50 cm PU時防撞裝置與車廂吸收的總能量少，動能相對較大，其撞擊力峰值就相對較大。這說明設(shè)置防撞裝置時不能僅考慮裝置本身的吸收能量的能力，也需要考慮防撞裝置變形能力與車輛的剛度。

4 結(jié)論

本文通過運用有限元軟件模擬普通鋼筋混凝土橋墩和加裝鋼套箱-PU填充層的防撞裝置混凝土橋墩與中型車輛的撞擊作用，以防撞裝置的材料參數(shù)為自變量，分析不同參數(shù)下的動力響應(yīng)，得到的主要結(jié)論如下:

(1)在其他條件相同的情況下，加裝鋼套箱-PU填充層的防撞裝置的混凝土墩柱的車輛撞擊力均小于普通鋼筋混凝土墩柱的撞擊力，表明加裝鋼套箱-PU填充層的防撞裝置的方法可以有效地減少車輛對橋墩的撞擊作用。

(2)防撞裝置以鋼材吸收能量為主，而PU層吸收能量僅占總能量的20%左右；最大撞擊力峰值均出現(xiàn)在防撞裝置與橋墩的撞擊作用中；設(shè)置防撞裝置時不能僅考慮裝置本身的吸收能量的能力，也需要考慮防撞裝置的變形能力與車輛的剛度。

(3)本文研究的防撞裝置，主要是進行了參數(shù)分析，沒有考慮其他結(jié)構(gòu)形式的防撞裝置，防撞裝置的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化仍可以進行進一步研究；例如：其他材料的防撞性能，單位體積耗能高、占地面積小的耗能材料。