【摘要】：隨著我國(guó)車(chē)輛保有量及城市內(nèi)高架橋梁總里程數(shù)的增加,橋墩受車(chē)輛碰撞的可能性越來(lái)越高,而根據(jù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)的橋墩在車(chē)輛碰撞中可能會(huì)出現(xiàn)抗撞力不足的現(xiàn)象,導(dǎo)致橋墩在碰撞中受損,造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。為了降低車(chē)輛碰撞對(duì)橋墩造成的損傷,本文設(shè)計(jì)了一種鋼-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防車(chē)撞結(jié)構(gòu),采用臺(tái)車(chē)試驗(yàn)和有限元模擬的方法研究了防車(chē)撞結(jié)構(gòu)的耐撞性能,并基于有限元模擬得到的結(jié)構(gòu)撞深與碰撞力等耐撞性指標(biāo)提出防車(chē)撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,同時(shí)對(duì)防車(chē)撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,設(shè)計(jì)并開(kāi)展了防車(chē)撞結(jié)構(gòu)臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn),試驗(yàn)獲得臺(tái)車(chē)原始加速度曲線(xiàn)、防車(chē)撞結(jié)構(gòu)最終變形等試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用濾波方法處理加速度曲線(xiàn)并獲得臺(tái)車(chē)的速度、動(dòng)能及碰撞力曲線(xiàn)。試驗(yàn)中碰撞力最大值低于規(guī)范規(guī)定撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明采用臺(tái)車(chē)以40 km/h的速度碰撞防車(chē)撞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的碰撞力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;其次,使用LS-DYNA建立防車(chē)撞結(jié)構(gòu)有限元模型,模擬臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)工況,獲得試驗(yàn)工況的有限元模擬數(shù)據(jù),并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,有限元模型通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,可以被用于隨后的有限元防車(chē)撞結(jié)構(gòu)耐撞性研究中。同時(shí)討論了臺(tái)車(chē)碰撞下不同結(jié)構(gòu)型式的防車(chē)撞結(jié)構(gòu)的耐撞性能,結(jié)果顯示鋼-復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有最佳的耐撞性能,較薄的鋼結(jié)構(gòu)與較厚的蜂窩結(jié)構(gòu)組合的鋼-復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)可以有效降低碰撞力并延長(zhǎng)碰撞持續(xù)時(shí)間;再次,根據(jù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)碰撞工況,使用通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的防車(chē)撞結(jié)構(gòu)有限元模型與3種實(shí)車(chē)有限元模型,獲得防車(chē)撞結(jié)構(gòu)在實(shí)車(chē)碰撞下的碰撞響應(yīng),對(duì)比臺(tái)車(chē)碰撞結(jié)果,討論實(shí)車(chē)碰撞下結(jié)構(gòu)的耐撞性。結(jié)果顯示實(shí)車(chē)碰撞下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)低于相同速度下臺(tái)車(chē)的響應(yīng),臺(tái)車(chē)高估了實(shí)際的碰撞結(jié)果;實(shí)車(chē)碰撞下防車(chē)撞結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)速度下小型車(chē)輛的防護(hù)要求。由于結(jié)構(gòu)尺寸較小,對(duì)中型車(chē)輛的防護(hù)能力不足,可以通過(guò)增大結(jié)構(gòu)尺寸的方法提高防車(chē)撞結(jié)構(gòu)對(duì)大質(zhì)量車(chē)輛的防護(hù)能力;最后,使用實(shí)車(chē)碰撞中獲得的結(jié)構(gòu)撞深與碰撞力結(jié)果,提出了通過(guò)車(chē)輛初始動(dòng)能預(yù)測(cè)防車(chē)撞結(jié)構(gòu)最大撞深及碰撞力最大值的設(shè)計(jì)方法,針對(duì)不同車(chē)型、不同初始動(dòng)能提出適應(yīng)的防車(chē)撞結(jié)構(gòu);并基于響應(yīng)面法優(yōu)化防車(chē)撞結(jié)構(gòu),獲得耐撞性最佳的防車(chē)撞結(jié)構(gòu)尺寸組合。
【圖文】：

1.1 研究背景與意義高架橋梁的橋墩有被車(chē)輛撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，車(chē)輛和橋墩之間的碰撞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，，如橋梁倒塌、車(chē)輛破壞和乘員傷亡等。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]在美國(guó)，61%的高架橋曾被車(chē)輛碰撞，15 %的橋墩受損是由車(chē)輛碰撞導(dǎo)致的[2][3]。2001 年到 2006 年之間，北京大約一半的市內(nèi)高架橋被車(chē)輛碰撞過(guò)，其事故總數(shù)占橋梁總損傷事故數(shù)的 20%左右。圖 1-1（a）所示為福州發(fā)生的 1 起公交車(chē)與大貨車(chē)相撞后碰撞橋墩事故，造成 7 人受傷，橋墩輕微受損。（b）中所示為廣州市發(fā)生的一起車(chē)載貨物滑落碰撞橋墩事故，事故中橋墩的鋼筋嚴(yán)重彎折、混凝土大面積脫落，事故造成橋梁失去通行能力，需要維修加固，影響 30 萬(wàn)人的正常出行。（c）中所示為另一起發(fā)生在廣州市的交通事故，1 輛公交車(chē)在行駛中撞上了天橋的橋柱，事故造成車(chē)上 5 人不同程度的受傷以及橋墩的嚴(yán)重?fù)p壞。（d）中所示為 1 起發(fā)生在法國(guó)的客車(chē)碰撞橋梁事故，事故造成 14 人死傷，橋墩在碰撞中發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。為了減輕車(chē)輛碰撞橋墩造成的危害，需要對(duì)橋梁防車(chē)撞領(lǐng)域進(jìn)行研究。

2.2 橋墩防車(chē)撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1 防車(chē)撞結(jié)構(gòu)主尺寸確定防車(chē)撞結(jié)構(gòu)被安裝在橋墩四周外圍承受車(chē)輛碰撞，如圖2-1所示。AASHTO[7]、JTGD60[8]和 TB10002[9]規(guī)定碰撞載荷作用位置距地面 1200mm，而 BS5400[11]規(guī)定的作用位置距地面 1250 mm，如表 2-1 所示。碰撞載荷并不是一個(gè)集中載荷，AASHTO 規(guī)范和 BS5400 規(guī)范規(guī)定的碰撞載荷作用面積分別為 500 mm×1500mm 和 600mm×1500mm。防車(chē)撞結(jié)構(gòu)的防護(hù)范圍必須包含碰撞載荷作用區(qū)域，因此，防車(chē)撞結(jié)構(gòu)的寬度和高度分別取 2800 mm 和 1500 mm，如圖 2-2 所示。防車(chē)撞結(jié)構(gòu)在車(chē)輛碰撞方向上的厚度是決定其耐撞性能的重要參數(shù)，防車(chē)撞結(jié)構(gòu)需足夠的厚度在碰撞中變形吸收能量
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U443.22

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本文編號(hào)：2603400