超高车辆撞击PC箱梁桥动态响应及损伤评估方法

作     者：吴亚 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵煜

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：桥梁工程 超高车辆 预应力混凝土箱梁桥 损伤破坏模式 动态响应 损伤评估方法 

摘      要：近年来,随着交通基础设施的大力发展,修建立体交通系统成为缓解交通负担的重要途径。然而,超高车辆撞击桥梁上部结构等碰撞事故频发,给立体交通的快速发展带来了新的挑战。碰撞事故一旦发生,将严重影响桥梁结构的安全状态和正常使用性能。桥梁结构设计主要考虑承受竖向荷载,而车辆侧向撞击桥梁势必会对桥梁结构的竖向承载性能产生影响。为了确保桥梁结构的安全,有必要深入探索超高车辆撞击桥梁上部结构的损伤破坏模式和动态响应,并提出超高车辆-预应力混凝土箱梁桥撞击后的损伤评估方法。本文依托国家自然科学基金青年科学基金项目“超高车辆撞击下预应力混凝土梁损伤机理及损伤评估方法研究(51908049)。采用数值模拟与理论分析相结合的方法对超高车辆撞击预应力混凝土箱梁桥上部结构动态响应及损伤评估方法开展研究。本文采用LS-DYNA软件建立了超高车辆撞击预应力混凝土箱梁桥上部结构的精细化有限元模型,基于典型的落锤冲击钢筋混凝土(RC)梁和预应力混凝土(PC)梁试验,验证了有限元模拟的正确性和有效性。接着采用参数化研究方法,分析了不同车辆参数和桥梁参数对预应力混凝土箱梁桥撞击损伤破坏模式和动态响应的影响。最后,提出了一种基于竖向剩余承载力的PC箱梁受撞击后损伤评估方法。主要研究内容及结论如下:(1)系统阐述了国内外现阶段对于落锤、摆锤冲击构件以及超高车辆撞击桥梁上部结构的损伤破坏模式和损伤评估方法的研究现状。详细介绍了车-桥碰撞有限元模拟中的显式分析方法的工作原理、碰撞接触算法和沙漏效应。(2)采用有限元软件LS-DYNA对典型的落锤冲击RC梁、PC梁试验进行模拟,对比分析了有限元模拟和试验结果的冲击力时程曲线、位移时程曲线和裂缝发展模式。验证了本文所采用的材料本构模型、应变率效应、碰撞接触算法、边界条件等有限元模拟参数取值的有效性和合理性。(3)采用单一变量法进行参数化研究,探究了车辆速度、车辆质量、撞击角度、撞击高度、混凝土强度和预应力大小等因素对预应力混凝土箱梁桥在撞击过程中动态响应的影响,深入分析了撞击损伤过程、撞击力时程、跨中位移时程等主要动态响应指标。研究结果表明:车辆参数对箱梁桥在撞击过程中的损伤影响非常显著,而桥梁参数的影响则相对较小。因此,在桥梁抗撞设计中,应主要考虑车辆参数的影响。另外,针对车辆侧向撞击导致的损伤,桥梁发生整体型损伤的可能性较小,应重点关注局部型损伤。(4)结合大量有限元模拟结果和数据统计分析,提出了一种基于竖向剩余承载力的PC箱梁桥撞击后损伤评估方法。该方法利用损伤指数公式对损伤程度进行等级划分,并拟合出了不同车辆质量和速度组合下的m-v曲线图,以快速有效地评估PC梁的损伤程度。此外,基于能量守恒原理,本文提出了预测最大撞击力的计算公式,可为PC梁的局部损伤评估提供参考。