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回顧超高車輛撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)研究

轉(zhuǎn)載：陸新征課題組　 2019/5/19 7:48:00　 645

內(nèi)容簡介：昨晚22:40，杭州一天橋被超高貨車撞擊導(dǎo)致落梁（圖1），引發(fā)廣泛關(guān)注。大約10年前，在國家自然科學(xué)基金和北京市科委支持下，我曾經(jīng)和清華大學(xué)課題組學(xué)生張炎圣、何水濤、徐梁晉、程曉波等開展過一些超高車撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究，所以也借這個(gè)機(jī)會(huì)和大家回顧一下。圖1 518杭州事故照片（圖片來源杭州交通微博）超高車輛撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故實(shí)際上是大量存在的（圖2）。根據(jù)北京有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，2000~200......

昨晚22:40，杭州一天橋被超高貨車撞擊導(dǎo)致落梁（圖1），引發(fā)廣泛關(guān)注。大約10年前，在國家自然科學(xué)基金和北京市科委支持下，我曾經(jīng)和清華大學(xué)課題組學(xué)生張炎圣、何水濤、徐梁晉、程曉波等開展過一些超高車撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究，所以也借這個(gè)機(jī)會(huì)和大家回顧一下。

圖1 518杭州事故照片（圖片來源杭州交通微博）

超高車輛撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故實(shí)際上是大量存在的（圖2）。根據(jù)北京有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，2000~2006年，北京每年發(fā)生車橋撞擊事故100+起，50％以上的橋梁遭受過車輛撞擊，20％的橋梁損壞是車輛撞擊造成（北京晚報(bào)，2007）。

圖2 國內(nèi)典型超高車輛撞擊橋梁事故

雖然司機(jī)駕駛行為不規(guī)范是導(dǎo)致超高車撞擊事故的主要原因，但是即便是交通規(guī)則遠(yuǎn)比中國進(jìn)步的發(fā)達(dá)國家，超高車輛撞擊事故也不能完全避免，例如美國61％跨線橋梁曾遭受撞擊 (Hite, 2007)，14％損壞由撞擊導(dǎo)致(Harik et al., 1990)（圖3）。

圖3 國外典型超高車輛撞擊橋梁事故

所以，面對(duì)超高車輛撞擊引發(fā)的問題，我們除了要提高交通管理的水平，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)合理考慮撞擊作用也是需要的。而我國2004版《橋規(guī)》雖然對(duì)撞擊荷載做了規(guī)定，但是主要是參考國外規(guī)范，缺乏基于我國實(shí)際情況的研究基礎(chǔ)，且條文規(guī)定也相對(duì)比較簡單（圖4）。國內(nèi)外對(duì)這個(gè)問題的研究積累也很少。

圖4 我國2004版《橋規(guī)》對(duì)撞擊荷載的規(guī)定

所以，針對(duì)上述問題，我們系統(tǒng)的開展了相關(guān)研究（圖5），希望回答以下三個(gè)系列問題：

(1) 對(duì)橋梁進(jìn)行分類，哪些橋梁存在撞壞的危險(xiǎn)？哪些橋梁不存在撞壞的危險(xiǎn)？

(2) 對(duì)可能被撞壞的橋梁，橋梁如果受到撞擊，將遭受多大的撞擊荷載？既有橋梁，如何防護(hù)或加固可以抵抗撞擊荷載？新建橋梁，如何設(shè)計(jì)才能抵抗撞擊破壞？

(3) 對(duì)已經(jīng)被撞擊的橋梁，撞擊過程中橋梁內(nèi)部受到了多大的損傷？橋梁剩余承載力有多少？

圖5 本研究的邏輯框架

我們首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了超高車輛撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)，制作了油罐車罐體模型，通過擺錘運(yùn)動(dòng)撞擊混凝土T梁、鋼箱梁、鋼板梁、FRP梁橋模型，獲得了撞擊作用下不同橋梁的破壞機(jī)理（圖6）。

圖6 開展的超高車輛撞擊模型試驗(yàn)

而后我們通過有限元分析，驗(yàn)證了研發(fā)的有限元模型可以很好的模擬超高車輛撞擊模型試驗(yàn)的結(jié)果（圖7）。

圖7 建立有限元模型，模擬撞擊試驗(yàn)結(jié)果

基于已經(jīng)驗(yàn)證的碰撞有限元模型，我們開展了不同車型、不同橋型的超高車輛撞擊模擬研究（圖8），包括與杭州事故類似的落梁破壞模式模擬。

圖8不同車型、不同橋型的超高車輛撞擊模擬研究

而后，我們就可以明確撞擊導(dǎo)致的破壞模式（圖9），包括整體破壞模式和局部破壞模式。

圖9 撞擊引起的破壞模式

并發(fā)現(xiàn)，整體破壞模式主要和撞擊過程的沖量大小有關(guān)，局部破壞模式主要和撞擊過程中的最大撞擊力有關(guān)。于是，就要設(shè)法提出撞擊過程中總沖量和最大撞擊力的計(jì)算方法。為此，我們首先建立了超高車撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的理論模型。根據(jù)超高車撞擊橋梁過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征（圖10），通過大量參數(shù)討論論證可以進(jìn)行如下簡化（1）忽略車廂-橋梁摩擦力；（2）忽略車輪-路面摩擦力；（3）忽略車輛重力；（4）橋梁簡化成剛性墻。得到相應(yīng)的簡化模型和運(yùn)動(dòng)微分方程（圖11）。