某新型裝配式防撞墻在不同工況下的動(dòng)力分析

謝鵬飛、崔成濤、楊威、張峻賓、劉杰、王穎

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710000）

0 引言

防撞墻結(jié)構(gòu)是橋梁和公路設(shè)施的重要組成部分，設(shè)置該結(jié)構(gòu)的目的是防止車(chē)輛由于各種因素駛離公路，以保證車(chē)輛行駛安全，減少公路交通事故。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，裝配式防撞墻逐步成為橋梁與公路工程中的首選構(gòu)件，這類構(gòu)件具有施工便捷、工業(yè)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

為了直觀、清晰地掌握新型裝配式防撞墻在面對(duì)行駛車(chē)輛碰撞時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，需要開(kāi)展實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，但這類試驗(yàn)的難度較大，且要求較多，操作困難，受經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)、場(chǎng)地等因素的限制，實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)難以全面推廣。然而，相較于實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，數(shù)值模擬方法更加經(jīng)濟(jì)高效、便捷可靠，該方法也因此被廣泛應(yīng)用到各大工程領(lǐng)域[1]。

以某高架橋梁新型裝配式混凝土防撞墻為研究對(duì)象，分別建立該新型裝配式防撞墻整體和碰撞車(chē)輛的精細(xì)化有限元模型，進(jìn)行彈塑性動(dòng)力分析，以峰值沖擊力、最大動(dòng)態(tài)變形量為動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)該新型裝配式防撞墻的抗撞擊性能是否滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)二堡路工程，設(shè)計(jì)速度為40km/h；橋梁斷面為0.5m（防撞護(hù)欄）+17.5m（車(chē)行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=18.5m。根據(jù)工程施工設(shè)計(jì)圖紙，單段防撞墻長(zhǎng)度為1.99m，防撞墻高度為0.85m。試件混凝土主要采用C35 混凝土，鋼筋直徑小于12mm 時(shí)，采用熱軋光圓鋼筋HPB300；鋼筋直徑大于等于12mm 時(shí)，采用熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋HRB400，鋼板及其他鋼材一律采用Q235 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。

2 防撞墻數(shù)值分析模型建立

2.1 動(dòng)力學(xué)分析理論

動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題分顯式和隱式兩種，該項(xiàng)目采用顯式算法，采用中心差分法進(jìn)行顯式時(shí)間積分。中心差分法是基于用有限差分代替位移對(duì)時(shí)間的求導(dǎo)[2]。

對(duì)于多自由度體系，中心差分法逐步計(jì)算公式為：

式（1）中：[M]為體系的質(zhì)量；[C]為體系的阻尼；[K]為體系的剛度矩陣；{u}i為ti時(shí)刻體系的位移，且{u}i={u(ti)} ；{P}i為ti時(shí)刻體系的外荷載向量，且{P}i={P(ti)} 。

2.2 材料本構(gòu)模型

鋼筋和鋼板采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，混凝土采用塑性損傷模型。在混凝土靜態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)修正的方法來(lái)考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)行為的模擬。該項(xiàng)目中的普通混凝土的抗壓強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)擬取1.39，抗拉強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)擬取1.45[3]。

3 防撞墻和車(chē)輛有限元模型的建立

3.1 防撞墻有限元模型

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，新型防撞墻沿車(chē)流方向每隔1.99m 設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，因此以一段防撞墻為一個(gè)整體建立有限元模型。裝配式防撞墻的單元類型為C3D8R，防撞墻網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.5mm，鋼筋選擇的單元類型是兩節(jié)點(diǎn)T3D2，鋼筋網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.05mm。防撞墻模型見(jiàn)圖1。

圖1 防撞墻模型

3.2 車(chē)輛有限元模型

在數(shù)值分析過(guò)程中，為提高分析效率，減少其他因素的影響，對(duì)車(chē)輛幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[4]。根據(jù)文獻(xiàn)得到，車(chē)輛模型的結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)3.6m、寬1.4m、高1.5m，車(chē)輛自身質(zhì)量為1.5t[5]。車(chē)輛的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。

圖2 小車(chē)模型

4 工況設(shè)計(jì)

在模擬車(chē)輛與防撞墻斜向碰撞的過(guò)程中，為研究防撞墻的抗撞擊性能，以車(chē)輛的碰撞速度、碰撞角度參數(shù)為主，研究各個(gè)影響因素對(duì)防撞墻沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量等抗撞擊性能的影響規(guī)律[6]。試件編制及工況見(jiàn)表1。

表1 試件編制及工況

5 結(jié)果分析

5.1 碰撞速度

在不同的碰撞速度下，新型裝配式防撞墻遭受車(chē)輛撞擊后受到的峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量值如表2所示[7]。

表2 不同碰撞速度下防撞墻的峰值沖擊力與最大變形量

根據(jù)有限元計(jì)算分別得到不同碰撞速度下新型裝配式防撞墻位移時(shí)程曲線對(duì)比圖及位移云圖（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 位移時(shí)程曲線

圖4 位移云圖

結(jié)果分析：通過(guò)計(jì)算可以得到不同速度下的峰值沖擊力，數(shù)據(jù)表明，速度越大，峰值沖擊力就越大。由位移時(shí)程曲線對(duì)比圖和位移云圖對(duì)比可以看出，初始時(shí)態(tài)防撞墻的位移為0，當(dāng)小車(chē)撞到防撞墻時(shí)，防撞墻的位移變形瞬間達(dá)到最大，小車(chē)碰撞之后，防撞墻的位移又逐漸減小。小車(chē)的速度越大，防撞墻的變形量越大，最大動(dòng)態(tài)變形值也逐漸增大。

5.2 不同碰撞角度的影響

在其他條件不變的情況下，改變碰撞角度，新型裝配式防撞墻的峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量見(jiàn)表3。

表3 不同碰撞角度下防撞墻的峰值沖擊力與最大變形量

根據(jù)有限元計(jì)算，分別得到不同碰撞角度下新型裝配式防撞墻位移時(shí)程曲線對(duì)比圖及位移云圖（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 位移時(shí)程曲線

圖6 位移云圖

結(jié)果分析：通過(guò)計(jì)算可以得到不同角度下的峰值沖擊力，角度越大，峰值沖擊力越大。由位移時(shí)程曲線對(duì)比圖和位移云圖對(duì)比可以看出，初始時(shí)，防撞墻的位移為0，當(dāng)小車(chē)撞到防撞墻時(shí)，防撞墻的位移變形瞬間達(dá)到最大，小車(chē)碰撞之后，防撞墻的位移又逐漸減小。碰撞角度越大，防撞墻的變形量越大，最大動(dòng)態(tài)變形值也逐漸增大。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)二堡路工程，通過(guò)建立有限元模型及數(shù)值模擬的方式，對(duì)新型裝配防撞墻的相關(guān)性能進(jìn)行研究。在其他影響因素不變的情況下，當(dāng)車(chē)輛速度從40km/h 變到80km/h 時(shí)，峰值沖擊力從569.98kN 增加到1139.95kN，增幅為99.99%，最大位移變形量從1.58mm 增加到3.15mm，增幅為99.37%。當(dāng)車(chē)輛碰撞角度從15°變到25°時(shí)，峰值沖擊力從431.32kN 增加到704.29kN，增幅為63.29%，最大位移變形量從1.5mm 增加到2.5mm，增幅為66.67%。說(shuō)明：碰撞速度越大、碰撞角度越大，防撞墻受到的沖擊力越大，位移變形越大，車(chē)輛碰撞速度對(duì)防撞墻的影響比車(chē)輛碰撞角度對(duì)防撞墻的影響更明顯。在上述試驗(yàn)中，不同工況下防撞墻的最大動(dòng)態(tài)變形量均小于等于500mm，表明該防撞墻滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值要求，能夠起到保證車(chē)輛行駛安全的作用。