基于LS-DYNA的墩柱碰撞動(dòng)力響應(yīng)仿真分析研究

周 瀾

(中方縣交通局農(nóng)村公路建設(shè)事務(wù)中心,湖南 懷化 418000)

0 引 言

在山區(qū)橋梁及城市橋梁建設(shè)運(yùn)營中,可能會(huì)遭受到落石及車輛撞擊等情況,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)損壞,從而危及橋梁整體安全,需對(duì)墩柱碰撞效應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析,明確其受力性能并針對(duì)性地提出控制措施。眾多學(xué)者對(duì)于橋墩碰撞及防護(hù)措施有了頗多研究。鄒毅松[1]等探究了滾石撞擊下雙柱式橋墩動(dòng)力響應(yīng),分析得出了撞擊效果受到動(dòng)能、速度等因素影響;孫欽東[2]引入結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論,考慮材料、幾何及接觸非線性,分析了橋墩與輪船碰撞過程,表明碰撞速度對(duì)碰撞力峰值有著顯著影響,同時(shí)碰撞區(qū)域外也會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力情況。羅征等[3]選取了不同的尺寸的橋墩開展了不同高度的沖擊試驗(yàn),對(duì)于其結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行分析,明確了不同因素作用下的撞擊效果。趙武超[4]基于LS-DYNA軟件建立了精細(xì)化卡車數(shù)值模型,驗(yàn)證了數(shù)值模型合理性,并分析貨物剛度、偏心撞擊及速度等各參數(shù)的影響規(guī)律;周曉宇等[5]依托徹底關(guān)大橋?yàn)檠芯勘尘?建立了樁土邊界作用下的橋墩模型,從剪力破壞參數(shù)等方面評(píng)估了撞擊損傷程度及效果;王向陽[6]通過建立車-橋撞擊有限元模型,擬合出車撞力計(jì)算公式,再結(jié)合此公式及隨機(jī)參數(shù)變量,分析了碰撞之后結(jié)構(gòu)的可靠度,得出混凝土強(qiáng)度變化影響最為顯著的結(jié)論。參考現(xiàn)有研究成果,本文選取試驗(yàn)所作圓形截面鋼筋混凝土墩柱進(jìn)行有限元仿真分析,針對(duì)碰撞過程中撞擊點(diǎn)材料的速度、受力以及墩頂、墩底主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行研究,得出合理的結(jié)論及建議,供廣大學(xué)者參考。

1 模型基本概述

為了簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)間以及滿足仿真精確性的需求,選取某圓形截面鋼混凝土墩柱為參考建立仿真模型。撞擊點(diǎn)距離墩底0.35 m的位置,墩柱基礎(chǔ)尺寸為長0.8 m,寬0.8 m,高0.6 m,墩柱高1.85 m,直徑為350 mm。墩柱材料選取C30強(qiáng)度混凝土,墩柱縱筋采用直徑8 mm的HRB400熱軋螺紋鋼筋,箍筋為6.5 mm的HPB300熱軋光圓鋼筋,鋼筋在相應(yīng)方向均勻布置。

模型中混凝土考慮連續(xù)帽蓋模型[7](MAT_CSCM_CONCRETE),此模型可以很好地反映混凝土材料撞擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及破壞情況,同時(shí)此模型輸入?yún)?shù)少,操作簡(jiǎn)單便捷。鋼筋材料選用的是塑性隨動(dòng)雙線性強(qiáng)化模型[8](*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),屈服應(yīng)力為

(1)

2 仿真計(jì)算模型建立

本文利用ANSYS/LS-DYAN軟件建立墩柱撞擊有限元模型,模型中墩柱底座混凝土為8節(jié)點(diǎn)的SOLID164實(shí)體單元,撞擊體視為剛體模型[9],彈模取為E=8.95 GPa,泊松比為υ=0.3,選用LINK160單元來模擬鋼筋結(jié)構(gòu)。墩柱基礎(chǔ)約束所有自由度,為了較好的模擬墩柱上部結(jié)構(gòu)的作用,其頂部約束平動(dòng),放開轉(zhuǎn)動(dòng)約束,使其邊界約束成為鉸接形式。鋼筋與混凝土共節(jié)點(diǎn)連接,不考慮之間的滑移作用。為了保證計(jì)算結(jié)果的可信度,采取調(diào)控網(wǎng)格大小來進(jìn)行相應(yīng)的密度調(diào)整,降低沙漏模式,以達(dá)到沙漏能不超過總能量的10%[10],同時(shí)在建立模型時(shí),撞擊體與墩柱之間設(shè)置微小間距,防止模型初始穿透現(xiàn)象的發(fā)生。

3 碰撞過程響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)碰撞是極其短暫的能量傳遞至消散的過程,材料受力在瞬時(shí)發(fā)生并結(jié)束,需要將此短時(shí)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)受力結(jié)果提取進(jìn)行連續(xù)分析。此處設(shè)定撞擊體質(zhì)量為3.5 t,速度為2.7 m/s,撞擊時(shí)間設(shè)定為0.12 s。此處擬定撞擊位置為離墩底近1/3高度位置,考慮到實(shí)際過程中沿墩柱徑向撞擊破壞程度最大,因此此處撞擊為正面徑向撞擊。

3.1 撞擊點(diǎn)處單元速度分析

現(xiàn)選取撞擊點(diǎn)附近單元,從上至下編號(hào)為A～E,其速度結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出,在撞擊接觸初期,撞擊點(diǎn)處材料速度處于線性上升階段,且各單元速度上升速率基本一致,此時(shí)材料并沒有完全失效,但是曲線未完全重合,說明混凝土已經(jīng)開始出現(xiàn)裂縫,材料單元之間的速度沒有完全相同;在時(shí)間達(dá)到2.5×10-3s左右時(shí),撞擊點(diǎn)處單元速度達(dá)到峰值,最大接近2.7 m/s,此后曲線開始下降,撞擊體離開墩柱接觸面,材料單元速度減小,直至恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。

圖1 撞擊處單元速度時(shí)程曲線圖

3.2 撞擊點(diǎn)背部單元應(yīng)力分析

依據(jù)上述仿真計(jì)算模型,觀察墩柱撞擊時(shí)的受力情況,提取撞擊點(diǎn)背面單元Von-Mises應(yīng)力值,單元編號(hào)水平方向依次為A～D,將其應(yīng)力-時(shí)間曲線繪制見圖2所示。

圖2 撞擊點(diǎn)背面單元應(yīng)力時(shí)程曲線圖

根據(jù)圖2應(yīng)力-時(shí)間曲線分析可知。

(1)A單元受力最為顯著,短時(shí)間內(nèi)以“V”型突變,說明此處單元接受撞擊能量最多,同時(shí)應(yīng)力值瞬間下降至0,說明此時(shí)材料已完全失效,混凝土剝落。

(2)C單元屬于受撞擊影響最小的單元,與其他單元相比,應(yīng)力變化幅度較為平緩,沒有明顯的突變現(xiàn)象,但是在0.008 s之后曲線相互變化趨勢(shì)基本一致。

(3)B與D單元整體變化趨勢(shì)一致,在經(jīng)歷上升-下降-上升階段后,逐步達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài),可以看出B、D材料在接受能量后,迅速將能量再次傳遞出去,再通過吸收能量升至穩(wěn)定狀態(tài)。因此在考慮墩柱防撞措施中,不僅考慮進(jìn)行墩柱加固方法,也可以通過吸能裝置降低撞擊破壞程度。

3.3 墩頂主應(yīng)力分析

墩柱受到撞擊作用時(shí)除了影響自身下部結(jié)構(gòu)的損壞,同時(shí)下部受力情況直接影響到了支座的工作情況進(jìn)而影響上部結(jié)構(gòu)的安全性。根據(jù)材料力學(xué)中的強(qiáng)度準(zhǔn)則,混凝土材料屬于脆性材料,抗拉強(qiáng)度較小,此處提取了撞擊體初始接觸時(shí)的墩頂主應(yīng)力云圖,由圖3所知,墩頂整體以受拉為主,在遠(yuǎn)離撞擊側(cè)的材料出現(xiàn)了壓應(yīng)力,考慮考慮到模型墩頂設(shè)置為鉸接,限制了平動(dòng)自由度,轉(zhuǎn)動(dòng)約束放開,說明了在撞擊荷載作用下,墩頂發(fā)生了微小的轉(zhuǎn)動(dòng),拉、壓應(yīng)力分界線明顯,此轉(zhuǎn)動(dòng)可能會(huì)影響到支座的受力情況,需要針對(duì)支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,同時(shí)也許防范支座與墩柱的接觸界面脫離的情況產(chǎn)生。

圖3 墩頂單元主應(yīng)力時(shí)程圖

為了分析全過程墩頂?shù)氖芰η闆r,依次繪制墩頂以下四個(gè)單元A～D的主應(yīng)力時(shí)程曲線圖,從圖3中曲線可以看出距離墩頂最近的A、B單元在0.01 s左右達(dá)到壓應(yīng)力最大值,C單元沒有較大的波動(dòng)幅度,但是總體仍以受壓為主;D單元為遠(yuǎn)離墩頂處,基本處于墩頂拉、壓應(yīng)力分界線位置;碰撞前期墩頂總體應(yīng)力變幅較大,材料失效可能性增加,在后期運(yùn)營過程中注意此處的保護(hù)措施。

3.4 墩底主應(yīng)力分析

在墩柱受到碰撞沖擊荷載后,墩底位置由于處于完全固結(jié)狀態(tài),此處荷載無法進(jìn)行有效的釋放,會(huì)產(chǎn)生較大地應(yīng)力集中現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生,在后期滲水等不利環(huán)境因素下,引起混凝土及鋼筋腐蝕情況。本文選取撞擊體碰撞接觸與脫離接觸時(shí)間,提取碰撞過程中最大主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。

結(jié)果可知,在碰撞體剛一接觸墩柱的瞬間,墩底混凝土結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)出了撞擊側(cè)受拉,背部受壓,墩柱下部以墩底為軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)其拉應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)超過了C30材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,最大達(dá)到了6.58 MPa。之后拉應(yīng)力范圍逐步擴(kuò)大,最大數(shù)值無明顯變化;對(duì)比0.012 s與0.013 s時(shí)的主應(yīng)力狀態(tài),墩底撞擊點(diǎn)背部一側(cè)無明顯變化,撞擊側(cè)以及遠(yuǎn)離墩底的位置,大部分混凝土由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?說明時(shí)碰撞體已逐漸脫離墩柱表面,墩體沒有進(jìn)一步的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì);通過分析整個(gè)碰撞過程墩底材料主應(yīng)力情況,可以知道在碰撞初期墩底一側(cè)混凝土就處于受拉狀態(tài)而可能引起開裂,后期雖然混凝土重新開始受壓,但是裂縫可能無法達(dá)到完全閉合狀態(tài),因此在進(jìn)行墩柱防撞措施中,不僅需要針對(duì)撞擊位置處進(jìn)行支護(hù),在墩底也要采取一定的防護(hù)措施,保證墩柱整體結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié) 論

(1)碰撞接觸初期,撞擊點(diǎn)位置材料變形迅速,裂縫開始出現(xiàn),其材料單元位移最大速度接近撞擊體速度。

(2)墩柱碰撞是材料對(duì)于能量的吸收-傳遞-再吸收過程,部分材料會(huì)直接失效而剝落,在墩柱防護(hù)中可考慮主動(dòng)吸收沖擊能量來降低損傷。

(3)在碰撞作用初期,墩頂及墩底混凝土結(jié)構(gòu)為撞擊側(cè)受拉,背部受壓,受拉狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂,后期墩頂仍以受拉為主,墩底恢復(fù)受壓狀態(tài),但裂縫無法完全閉合,說明墩底防護(hù)要予以足夠重視,進(jìn)行相應(yīng)的主動(dòng)防護(hù)措施。