车辆撞击混凝土桥墩撞击力公式拟合.pdf

Vol.49,No.9September,2023摘要：采用LS-DYNA建立中型卡车撞击桥墩模型，得到20组工况下的撞击力时程曲线，据此计算出全局平均等效撞击力。采用LevenbergM a r q u a r d t 算法对全局平均等效撞击力进行撞击力公式拟合，将拟合公式和现有规范进行对比，提出合理建议。关键词：车桥碰撞；仿真模拟；撞击力拟合中图分类号:U441文献标志码：A文章编号：1 6 7 2-40 1 1(2 0 2 3)0 9-0 2 3 6-0 3D0I:10.3969/j.issn.1672-4011.2023.09.0900 引 言车桥碰撞是一个十分复杂的问题，在极短的0.5s内巨大的荷载作用下瞬间完成碰撞，是一种复杂的动态响应过程,涉及岩土力学、碰撞力学、结构力学和桥梁工程等诸多学科领域。根据现有的文献资料，还没有找到车撞桥墩的撞击力公式。在我国的铁路桥涵设计基本规范（TB10002一2017）【1 中，仅仅提及桥墩受到汽车撞击时，行车方向为横桥向的撞击力设计值为50 0 kN、顺桥向的撞击力设计值为1000kN。在欧洲规范EN1991-1-72中,给出的撞击力设计值与我国上述规范基本一致。美国规范 AASHTO-LR-FD3第3.6.5.2 条规定，当没有防撞设施时，铁路轨道中心线1 5m范围内的桥墩应考虑车辆冲击力：汽车冲击力标准值为水平面任意方向2 7 0 0 kN，作用点距地面1.5m。这些规范都没有给出撞击力设计值的计算公式。汽车对桥墩的撞击力与汽车质量和速度等因素有关，不应简单地用一个数值表示。本文采用LS-DYNA软件对中型卡车撞击桥墩的撞击力进行模拟计算，分析了2 0 种工况，并对车速一质量一撞击力进行公式拟合，旨在给出有实际意义的撞击力计算公式。1车桥模型本文的桥墩模型以安徽省宣城市某单柱式钢筋混凝土公路桥的桥墩为原型。钢筋混凝土桥墩参数如下：墩柱高度为1 0 m,直径为1.6 m；混凝土强度为C30；沿桥墩周向均匀配置了3 8 根直径为2 8 mm的HRB400热轧带肋钢筋；箍筋采用直径为1 0 mm、间距为1 0 mm的HPB300热轧光圆钢筋；混凝土保护层厚度为50 cm。采用SOILD164实体单元进行网格划分。Ford800卡车模型净重5t,货物重3 t，总重为8 t。该模型主要由梁单元、实体单元和壳单元组成。整个模型由7 种材料组成，一共划分单元3 52 9 5个，其中实体单元8 8 6 个、梁单元548 个、壳单元3 3 8 6 1 个、单元节点3 8 9 49 个，有限元建模见图1。收稿日期：2 0 2 2-0 4-1 5作者简介：章宇琦（1 9 9 6 一），男，江苏盐城人，硕士，主要研究方向：车桥碰撞。2365川建材SichuanBuildingMaterials车辆撞击混凝土桥墩撞击力公式拟合章宇琦，惠惠颖（南京理工大学，江苏东南京2210094)图1 Ford800撞击混凝土桥墩的有限元模型2材料模型2.1混凝土材料本文混凝土采用*MAT_159号材料模型 4-5（连续帽盖模型)来模拟车辆碰撞的动态性能 。混凝土密度2 40 0 kg/m，轴心抗压强度3 0 MPa,最大骨料粒径1 0 mm。2.2钢筋材料选取LS-DYNA材料库中*MAT_3(MAT_PLASTIC_KI-NEMATIC）【7 弹塑性随动硬化模型来模拟桥墩中的钢筋。钢筋密度7 8 50 kg/m，弹性模量2.1 1 0 MPa，泊松比0.3，切线模量6.6 1 0 MPa。3仿真模拟分析和公式拟合3.1模型合理性及撞击过程分析为方便讨论,用V60M8来表示重量8 t、速度为6 0 km/h的工况。以V60M8为例，图2 为碰撞过程中的能量转换曲线，图3 为V60M8撞击力时程曲线。稳定后的能量数值为：总能量1 8 0 6.45kJ，动能6 2.2 9 kJ,内能1 6 8 5.5kJ，沙漏能2.45kJ。沙漏能占总能量的0.1 3 7%，占内能的0.1 45%，占比均小于1 0%。车辆模型为美国联邦高速公路（FHWA）和美国高速公路安全协议（NHTSA）支持的“美国国家碰撞分析中心”（National Crash Analysis Centre,NCAC）发布的车辆有限元模型。所以能量误差在有效范围之内，可以认为模型是正确的，有实际参考价值。2.0101.610%312x10f4.0100.00.0图2 能量转换曲线从图3 的撞击力时程曲线结合撞击过程，可以得出以下结论：在0.0 1 7 2 s曲线出现第1 个峰值（2 2 2 0 kN），该峰值是由于卡车保险杠与桥墩进行了碰撞，然后迅速被压溃，撞击力下降明显，撞击过程约为0.0 1 3 9 s;在0.0 46 8 s曲线出现了第2 个峰值（2 2 7 0 kN），是质量较大的发动机碰撞到车头，然后一同撞向混凝土桥墩所造成的，撞击时长约为0.0326s;在0.0 6 3 9 s之后曲线又出现了几个峰值，是车厢以及车厢内部的货物撞击混凝土桥墩造成的，随后曲线迅第49 卷第9 期2023年9 月2.410t2010-动能21.610内能1.210一总能量8.010-.-沙漏能4.01050.0020.4时间/s0.0图3 V60M8撞击力时程曲线0.020304时间/第49 卷第9 期2023年9 月速下降；在0.2 1 3 0 s之后曲线又出现了小小的上升，是由于车速较大，车厢向上翘起，造成了撞击力小幅度上升。0.4s时撞击力为0,可以认为撞击结束。3.2数据处理撞击力时程曲线的峰值不太适合作为工程设计采用的指标，因为撞击力峰值持续的时间很短，这种短暂的高峰值撞击力对结构几乎不会造成影响 8 。本文选用全局平均等效撞击力进行分析。冲量定理为：I=JF(t)dt=Fmean T由冲量定理可得：J6F(t)dtFmean通过对某时间段的撞击力时程曲线的积分即可得出该段时间的平均撞击力。V60M8的全局平均等效撞击力F,mean6-0.4 F(t)dt,=702.12kN。本文用分析得到的撞击力时程T曲线计算出全局平均等效撞击力，然后分析撞击速度、车辆载重对等效撞击力的影响规律。将处理后的数据进行最小二乘法的公式拟合，该方法可以有效地解决非线性最小二乘问题。通过最小化模型函数与一组数据点之间的误差平方和,可以更好地估计数学模型中的未知参数。本文基于Python语言，实现了Levenberg-Marquardt算法的编写，对数值仿真输出的撞击力进行拟合。3.3正碰等效撞击力公式拟合本文参考国内外学者研究的撞击力公式和规范对于船撞桥墩给出的公式，使用幂函数乘积形式（MV）拟合车辆撞击桥墩的撞击力公式。将速度为40、6 0、8 0、9 0 km/h，车载质量为6、7、8、1 0、1 5 t这2 0 组工况中的撞击力用L-M算法进行拟合，等效撞击力计算值见表1。表1 2 0 组工况的等效撞击力等效等效工况撞击工况撞击工况撞击工况撞击力/N力/NV40M6337 386V60M6588 972V80M6811 470V90M6 1 099 590V40M7366 964V60M7656 194V80M7891 134V90M7 1 214 550V40M8404 979V60M8702 115V80M8 1 004 160 V90M8 1 331 110V40M10 468 8233V60M10802685V80M10 1 133430V90M10 1 521 490V40M15 588 948 V60M15 1 058 530 V80M15 1 598 610 V90M15 1 997 410将2 0 组工况中的撞击力用L-M算法进行拟合为质量的幂函数与速度的幂函数乘积的形式,拟合公式为：F=361.8 M 0.679 v1.5 式中：F为等效撞击力,N;M为车辆的质量,t;V为撞击速度,km/h。拟合后对拟合值与计算值的误差百分比进行分析，误差百分比数据见表2。表2 F=361.8.M0.679vl-5的误差百分比工况误差工况误差工况误差工况误差V40M68.05V60M63.19V80M68.22V90M64.69V40M76.14V60M73.52V80M79.41V90M74.20V40M86.88V60M81.28V80M86.31V90M84.29V40M106.40V60M100.48V80M109.59V90M102.57V40M151.88V60M150.33V80M152.32V90M152.27式（3）的整体模拟情况很好，各工况的拟合误差值较小。5川建材SichuanBuildingMaterials误差平均值为4.6 0%，最大误差为9.5 9%，最小误差为0.33%。式(3)能很好地拟合速度质量一撞击力的关系，适合作为中型卡车撞击桥墩的撞击力计算公式，具有工程实用价值。4撞击力公式与规范的对比将式(3)的计算值与规范进行对比，中型卡车撞击力值均小于美国规范给定的2 7 0 0 kN，如图4所示。从图4可见，对于欧洲规范和中国规范规定的撞击力设计值1 0 0 0 kN而(1)言，在质量6 t、速度 8 7.5 2 km/h时撞击力大于该设计值；在质量7 t、速度 8 1.6 2 km/h时撞击力大于该设计值；在质T(2)等效等效力/N力/N(3)%的2 7 0 0 kN;欧洲规范和我国规范规定的设计值明显偏小，所计算的2 0 组工况中有9 组工况的撞击力大于欧洲规范和中国规范的撞击力设计值1 0 0 0 kN。建议适当提高中型卡车的撞击力设计值，本文推荐的撞击力设计值1 5 0 0 kN适用于大多数情况，可以作为参考值。ID:015518(下转第2 42 页）237.Vol.49,No.9September,2023量8 t、速度 7 6.8 3 km/h时撞击力大于该设计值；在质量10t、速度 6 9.5 4km/h时撞击力大于该设计值。在质量15t,速度 5 7.8 1 km/h时撞击力大于该设计值。2.510L美国规范2.0106中国规范、欧洲规范(75.75,1.510%)本文推荐的撞击力设计值51.510%M6的模拟曲线-M7的模拟曲线01.010%M8的模拟曲线M10的模拟曲线-M15的模拟曲线(87.52,110)5.0100L(81.62,110):(76.83,110)(57.81,110)(69.45,110)4080速度/(kmhl)图4公式(1)与规范的比较在速度 8 0 km/h时，各种质量车的撞击力几乎均大于我国规范【1.9.1 0 1 给出的1 0 0 kN撞击力设计值，我国规范的撞击力设计值对于中型货车而言是偏低的；美国规范的设计值对于中型卡车而言偏高，且美国规范是参照重型卡车实车撞击试验得出的，所以不适用于中型卡车撞击力的设计值。根据数值分析和拟合公式的计算结果，本文推荐使用1500kN作为中型卡车撞击力设计值。从图4可见，当质量M=15t且V75.75km/h时和质量M=10t,且速度V91.01km/h时撞击力超过了车撞设计值1 5 0 0 kN，总体而言，此撞击力设计值较为合适。5结论与展望以M的次幂与V的b次幂乘积的形式进行公式拟合，拟合公式为F=361.8M0.679vl-5，各工况的拟合值误差很小，最大误差为9.5 9%，最小误差0.3 3%，误差平均值为4.60%。公式F=361.8M0.679vls5适合作为中型卡车撞击桥墩的撞击力计算公式。对比国内外规范车辆撞击桥墩撞击力的设计值，美国规范过于安全，所计算的中型卡车撞击力均小于美国规范规定(91.01,1.510)60100Vol.49,No.9September,2023续射流5 min后停止喷射。系统停止射流后再次探测到着火点时，应能再次启动射流灭火。稳压泵的启动、停止应由压力开关控制。喷射型自动跟踪定位射流灭火系统原理见图3。有效容积V=18mSPL-0高位消防水箱SPL-2DN100.DNI50贴梁底口45川建材Sichuan BuildingMaterials注：消防水池分两格，水面面积1 7 4m，有效水深3.2 m，实际有效容积5 47 m总容积5 40 m。消防水池储存室内外消火栓和喷淋系统一次火灾的用水量（取喷淋系统和射流灭火系统中用水量数值较大者）。FL-43结论RF1)变配电房、文物库房区域采用气体灭火系统；中庭采14.400用喷射型自动跟踪定位射流灭火系统；博物馆内其余部位采第49 卷第9 期2023年9 月SPL-1INGDN150接射流泵出水管-1.000图3 喷射型自动跟踪定位射流灭火系统原理2.5消防水池、消防水泵及高位消防水箱消防水池、高位水箱应设置液位计（能就地显示水位）【8 。消防水池设有溢流排水管、泄空排水管，且均采用间接排水。水池溢流排水管、泄空排水管、通气管末端均须装设1 8 目的不锈钢或铜丝编制的防虫网罩。水位信号电缆穿池壁处的孔洞应封堵,水池检修孔应加盖常锁。消防水泵吸水管穿越消防水池液面以下部位时应设柔性防水套管。消防水泵能手动启停、自动启动，不能自动停泵。消防水泵的运行情况应显示于消防控制室和水泵房的控制盘上。消防用水量组成见表4。表4消防用水量组成用水标准/火灾延续 最大时用一次火灾用项目(L s-1)室外消火栓40室内消火栓20喷淋系统30射流灭火系统20总计用预作用自动喷水灭火系统进行自动灭火。消火栓和灭火DN100器主要是在消防人员到达现场后进行人工扑灭。10.0002）和湿式自动喷水灭火系统相比，预作用自动喷水灭火模拟末端试水装置台泄水阀距地面1.5 mOSING-1.00DN75时间/h水量/m3水量/m321082721108172系统更适合博物馆建筑的自动灭火，相较于气体灭火系统和高压细水雾系统更加经济。3)博物馆类公共建筑对消防系统设计要求较高，在设计过程中应当保证技术上安全可靠，经济上适用可行。ID:015583参考文献：1中华人民共和国住房和城乡建设部.博物馆建筑设计规范：JGJ662015S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 5.2中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑给水排水设计标准：GB500152019S.北京：中国计划出版社,2 0 1 9.3中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑设计防火规范：GB500162014（2 0 1 8 年版）【S.北京：中国计划出版社，2 0 1 8.4中华人民共和国建设部.建筑灭火器配置设计规范：GB501402005S.北京：中国计划出版社，2 0 0 5.5中华人民共和国住房和城乡建设部.自动喷水灭火系统设计规范：GB500842017S.北京：中国计划出版社，2 0 1 7.6中华人民共和国建设部.气体灭火系统设计规范：GB50370一2005S.北京：中国计划出版社，2 0 0 6.7中华人民共和国住房和城乡建设部.自动跟踪定位射流灭火288系统技术标准：GB514272021S .北京：中国计划出版144社,2 0 2 1.1088中华人民共和国住房和城乡建设部.消防给水及消火栓系统72技术规范：GB509742014S.北京：中国计划出版社，2 0 1 4.540（上接第2 3 7 页）参考文献：1 中华人民共和国铁道部.铁路桥涵设计基本规范：TB10002一2017S.北京：中国铁道出版社,2 0 1 7.2BS EN 1991-1-7 2006 Eurocode 1.Actions on structures.S:General Actions-Accident.2003.3American Association of State Highway and Transportation OfficialsLoad and Resistance Factor Design(AASHTO-LRFD)S.BridgeDesign Specifications SI Units Third Edition 2013,AASHTO,Washington,D.C.4Murray Y D.Users manual for LD-DYNA concrete materal model159 M.McLean:Federal Highway Administration,2007:1-92.5Murray Y D,Abu-Odeh A,Bligh R.Evaluation of LD-DYNA Con-crete materal model 159 M.McLean:Federal Highway Adminis-tration,2007:1-209.6Murray Y D.Users Manual for LS-DYNA Concrete Material Model159M.In:Report No.FHWA-HRT-05-062.McLean,VA,Federal Highway Administration,20077LS-DYNA KEYWORF USERS MANUAL M.Version971.Liv-ermore Software Technology Corporation,2007.8Tawil S,Severino E,Fonseca P.Vehicle collision with bridge piersJ.Journal of Bridge Engineering,2005,10(3):345-353.9中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范：JTGD60一2015S.北京：人民交通出版社,2 0 1 5.【1 0 中华人民共和国交通部.公路交通安全设施设计规范：JTGD812017S.北京：人民交通出版社，2 0 1 7.242