基于试验和数值方法的桥墩复合材料防车撞结构性能研究

发布时间：2020-03-27 21:17

【摘要】：随着我国车辆保有量及城市内高架桥梁总里程数的增加,桥墩受车辆碰撞的可能性越来越高,而根据规范要求设计的桥墩在车辆碰撞中可能会出现抗撞力不足的现象,导致桥墩在碰撞中受损,造成严重的财产损失和人员伤亡。为了降低车辆碰撞对桥墩造成的损伤,本文设计了一种钢-纤维增强复合材料防车撞结构,采用台车试验和有限元模拟的方法研究了防车撞结构的耐撞性能,并基于有限元模拟得到的结构撞深与碰撞力等耐撞性指标提出防车撞结构的设计方法,同时对防车撞结构进行结构优化。本文具体研究内容如下:首先,设计并开展了防车撞结构台车碰撞试验,试验获得台车原始加速度曲线、防车撞结构最终变形等试验数据,采用滤波方法处理加速度曲线并获得台车的速度、动能及碰撞力曲线。试验中碰撞力最大值低于规范规定撞击力标准值,说明采用台车以40 km/h的速度碰撞防车撞结构产生的碰撞力满足设计要求;其次,使用LS-DYNA建立防车撞结构有限元模型,模拟台车碰撞试验工况,获得试验工况的有限元模拟数据,并与试验结果进行对比。结果显示有限元模拟结果与试验结果较为吻合,有限元模型通过试验结果验证,可以被用于随后的有限元防车撞结构耐撞性研究中。同时讨论了台车碰撞下不同结构型式的防车撞结构的耐撞性能,结果显示钢-复合材料夹层结构具有最佳的耐撞性能,较薄的钢结构与较厚的蜂窝结构组合的钢-复合材料夹层结构可以有效降低碰撞力并延长碰撞持续时间;再次,根据规范要求设计碰撞工况,使用通过试验验证的防车撞结构有限元模型与3种实车有限元模型,获得防车撞结构在实车碰撞下的碰撞响应,对比台车碰撞结果,讨论实车碰撞下结构的耐撞性。结果显示实车碰撞下的结构响应低于相同速度下台车的响应,台车高估了实际的碰撞结果;实车碰撞下防车撞结构可以满足绝大多数速度下小型车辆的防护要求。由于结构尺寸较小,对中型车辆的防护能力不足,可以通过增大结构尺寸的方法提高防车撞结构对大质量车辆的防护能力;最后,使用实车碰撞中获得的结构撞深与碰撞力结果,提出了通过车辆初始动能预测防车撞结构最大撞深及碰撞力最大值的设计方法,针对不同车型、不同初始动能提出适应的防车撞结构;并基于响应面法优化防车撞结构,获得耐撞性最佳的防车撞结构尺寸组合。
【图文】：

1.1 研究背景与意义高架桥梁的桥墩有被车辆撞击的风险，车辆和桥墩之间的碰撞会导致严重的后果，，如桥梁倒塌、车辆破坏和乘员伤亡等。据统计[1]在美国，61%的高架桥曾被车辆碰撞，15 %的桥墩受损是由车辆碰撞导致的[2][3]。2001 年到 2006 年之间，北京大约一半的市内高架桥被车辆碰撞过，其事故总数占桥梁总损伤事故数的 20%左右。图 1-1（a）所示为福州发生的 1 起公交车与大货车相撞后碰撞桥墩事故，造成 7 人受伤，桥墩轻微受损。（b）中所示为广州市发生的一起车载货物滑落碰撞桥墩事故，事故中桥墩的钢筋严重弯折、混凝土大面积脱落，事故造成桥梁失去通行能力，需要维修加固，影响 30 万人的正常出行。（c）中所示为另一起发生在广州市的交通事故，1 辆公交车在行驶中撞上了天桥的桥柱，事故造成车上 5 人不同程度的受伤以及桥墩的严重损坏。（d）中所示为 1 起发生在法国的客车碰撞桥梁事故，事故造成 14 人死伤，桥墩在碰撞中发生严重损伤。为了减轻车辆碰撞桥墩造成的危害，需要对桥梁防车撞领域进行研究。

2.2 桥墩防车撞结构设计2.2.1 防车撞结构主尺寸确定防车撞结构被安装在桥墩四周外围承受车辆碰撞，如图2-1所示。AASHTO[7]、JTGD60[8]和 TB10002[9]规定碰撞载荷作用位置距地面 1200mm，而 BS5400[11]规定的作用位置距地面 1250 mm，如表 2-1 所示。碰撞载荷并不是一个集中载荷，AASHTO 规范和 BS5400 规范规定的碰撞载荷作用面积分别为 500 mm×1500mm 和 600mm×1500mm。防车撞结构的防护范围必须包含碰撞载荷作用区域，因此，防车撞结构的宽度和高度分别取 2800 mm 和 1500 mm，如图 2-2 所示。防车撞结构在车辆碰撞方向上的厚度是决定其耐撞性能的重要参数，防车撞结构需足够的厚度在碰撞中变形吸收能量
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.22

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本文编号：2603400