小车墩柱撞击下墩柱的响应特性研究

小车墩柱撞击下墩柱的响应特性研究

随着道路、铁路、市政道路等交通形式的发展，城市交通网络变得越来越密集。为了解决不同交通形式的交叉和交叉，高架桥逐渐被广泛使用。与此同时，国内各种机动车的数量也在持续不断地增长，并且呈现出高速化、重型化的特点。在这种条件下，车辆撞击高架桥桥墩的事故时有发生;这不仅造成人员车辆的损伤，而且对桥墩甚至整座桥梁的使用性能和寿命造成不利影响。为了减小由此造成的损失，需要在桥墩设计时依据不同情况给出合理的撞击力设计值。对此，国内外学者做了大量的理论研究以及部分试验研究。本文对比分析国内外规范关于车辆撞击桥墩撞击力的取值特点，自主设计试验进行数据采集，根据采集数据结合理论进行分析，初步得出车辆撞击力与车辆速度以及桥墩尺寸的关系。1桥墩撞击力国内《公路桥涵设计通用规范(JTGD60—2004)》以及《公路交通安全设施设计规范(JTGD81—2006)》规定，汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000kN，在车辆行驶垂直方向取500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。《铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1—2005)》与公路规范基本一致。《美国公路桥梁设计规范》(AASHTO)规定，位于距路边9m以内或距铁路轨道中心15m以内的桥台和桥墩，均用等效静力1800kN设计，并假定该力作用在地面以上1.2m高的水平面内任意方向。英国规范BS5400详细规定了公路桥梁的撞击力取值，见表1。综上所述，三个国家的规范取值差异较大，并且取值为固定值，忽略了桥墩尺寸以及车速的影响。中国规范取值参考国外规范，缺乏系统的试验以及理论研究，与国内实际情况有所差异。通过试验研究，分析桥墩撞击力与车辆速度以及桥墩尺寸之间的关系来指导工程实践必要而又迫切。本文以小车与墩柱撞击为研究对象，分析墩柱在撞击后的动力响应，可为深入研究车辆与实桥碰撞提供参考。2小木框架模型试验2.1车辆模型的建立本试验采用圆柱形钢筋混凝土墩柱模型，如图1，底端固定于地面，顶端自由;墩柱模型与城市主要人行桥圆形墩的缩尺比例在1:10左右。带轴承的滚轮钢板车辆模型，详细几何参数如图2所示，车辆模型前端以塑料泡沫缓解刚体碰撞引起的脉冲现象，同时模拟撞击过程中的车辆变形。本试验设计三组不同尺寸的墩柱模型进行试验，墩柱模型尺寸见表2。试验所用小车模型滑行轨道由与地面夹角为45°的直线段、水平直线段以及中间弧形连接段组成。本试验设计小车从不同高度下滑以获得不同的撞击速度，分别对不同的墩柱模型进行撞击，车辆模型的下滑高度以及质量见表3。2.2采集运动数据本试验设计小车模型从轨道的五个不同高度滑下，在轨道的平直段撞击固定于地面上的墩柱模型;利用动态数据采集仪器采集相关时程曲线。根据试验目标，需要测试采集的数据项目主要有:小车撞击加速度a、墩柱迎撞面下部应变ε前、墩柱背撞面下部应变ε后以及墩柱顶部加速度ab。其中，墩柱顶部加速度ab主要用于确定撞击时间以及校核采集数据可用性。2.3《车辆事故工况》采用的理论基础是建立在撞击对采集数据提取分析，并结合理论推导小车墩柱撞击力与撞击速度以及桥墩尺寸等的相关关系。本试验用到的分析方法主要有以牛顿第二定律为基础的牛顿法，以弯曲变形理论为基础的应变法，和以能量守恒原理为基础的能量法。牛顿法是将车辆碰撞瞬间看成是匀减速的过程，利用采集的小车加速度时程曲线提取加速度有效值，由牛顿第二定律求得小车撞击瞬间的碰撞力。应变法是利用采集的墩柱动应变时程曲线提取撞击时的应变有效值，利用悬臂梁弯曲变形理论反推出墩柱所受撞击力。能量法是依据能量守恒原理，整个碰撞系统在撞击前后的系统总能量守恒;即车辆碰撞之前的动能、势能以及桥墩势能等于碰撞后桥墩的应变能、势能以及车辆的应变能、势能;推导出撞击力表达式。3试验结果3.1模型撞击分析小车从不同高度下滑，经过加速在平直段对不同墩柱模型撞击，采集得到小车加速度、墩柱底部动应变等一系列时程曲线。小车从1.75m高度处释放撞击1号墩柱的时程曲线如图3、图4、图5、图6所示。3.2提取数据数据考虑到撞击在瞬间完成，无法准确确定撞击时刻，故采用撞击过程曲线的有效值作为结果数据提取。利用数据采集软件的有效值提取功能对撞击时程曲线进行分析，得到一系列小车墩柱模型撞击试验相关数据，包括小车撞击加速度a、墩柱迎撞面下部应变ε前、墩柱背撞面下部应变ε后以及撞击时间t，分别见表4、表5、表6。4碰撞力分析4.1墩柱撞击力的计算可根据牛顿第二定律，见式(1)，分析小车模型撞击瞬间提供的撞击力。其中，m表示小车模型的质量，a表示小车撞击墩柱瞬间的加速度有效值。由悬臂梁弯曲变形理论，见式(2)，可计算墩柱被撞瞬间所受到的撞击力。其中，E表示墩柱的弹性模量，ε表示墩柱底部的应变有效值，W表示墩柱的抗弯截面系数，hc表示小车撞击墩柱时撞击点高度。由式(1)和式(2)所求的两个力互为作用力和反作用力，依据牛顿第三定律可知两个力在理论上是相等的，即Fa=Fε。根据试验数据，计算小车的撞击力和墩柱所受撞击力并对比，如图7～图9所示。4.2增加应变能增加量根据能量守恒原理，针对本试验模型系统，小车模型前端泡沫塑料的撞击变形为弹性变形，故忽略小车的应变能损失。假定撞击后速度为零，对比撞击前后，小车模型的动能减少量为:其中，m表示小车模型质量，v表示小车撞击前速度。墩柱的应变能增加量为:其中，Fd表示撞击力，Δd表示撞击时墩柱撞击点位移，Δst表示小车模型重力静态作用于墩柱撞击点时对应点位移，m表示小车模型质量。由式(3)和式(4)相等，可得式(5):由式(5)可推导撞击力表达式为:其中，d表示墩柱直径，其它参数意义同前。式(6)表明，小车墩柱撞击力大小与小车撞击速度呈线性关系，另外与墩柱直径呈平方关系，与小车质量、撞击高度以及墩柱的弹性模量呈一定相关性。4.3撞击速度对比按照式(6)，对三个墩柱模型不同撞击速度的撞击力进行线性拟合，如图10所示。数据拟合相关度较高，可以认为撞击力与撞击速度呈线性关系。对直径相同但长细比不同的2号和3号墩柱撞击力进行分析，并绘制对比散点图，如图11所示。对比发现，相同小车质量、相同墩柱直径、相同墩柱弹性模量、相同撞击高度条件下，对应两墩柱所受撞击力不同，与式(6)推导关系存在差异。由此说明撞击力大小不仅与墩柱直径有关，还与墩柱的长细比或高度有关。5．墩柱撞击力通过对不同撞击速度、不同尺寸墩柱撞击试验数据分析，得出主要结论如下:(1)