列车撞击荷载的有限元数值分析

为获得列车脱轨撞击荷载,分析列车撞击时盾构隧道的动力响应,建立了列车编组的三维撞击有限元模型,探讨了不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下列车近似撞击力时程曲线,分析了列车撞击力最大值和撞击时间与列车撞击速度和角度的关系,并将典型撞击荷载用于分析不同厚度二次衬砌管片衬砌的动力响应.结果表明:列车编组数量一定时,列车斜向撞击力最大值随撞击速度和撞击角度增大而增大;当撞击角度增大到7.5后,撞击力作用时间随撞击速度增大而延长;根据列车撞击力最大值出现时刻不同,可将撞击力时程曲线划分为2类特征曲线,其中第1类特征曲线(撞击瞬间撞击力达到最大)总体上符合高斯多峰拟合公式,可用10个参数近似拟合.二次衬砌厚度增大能有效减小管片衬砌应力、速度、加速度等动力响应以及拉、压损伤区域.      

滚石与桥墩碰撞的数值仿真分析

利用有限元方法对滚石与桥墩的撞击进行了初步研究,重点分析了滚石与桥墩发生正碰的情况.运用大型结构分析程序,研究了碰撞过程中桥墩的动力响应,得到了撞击力随滚石质量和速度的变化关系.     

落石撞击双柱式桥梁的动态响应及损伤分析

为研究落石撞击山区双柱式桥梁的动态响应与损伤,以西部山区一座双柱式桥梁为研究对象,采用LS/DYNA建立了高精度三维实体碰撞有限元模型,分析了落石参数对桥梁动态响应及损伤的影响,并将桥墩撞击力时程曲线与各个国家规范给出等效撞击力计算公式进行对比和讨论.研究结果表明:落石撞击桥墩中部造成的损伤相比其他位置大;落石速度对于撞击力峰值的影响更为显著,而落石质量大小对桥墩被撞击时的撞击力持续时间及最大水平位移影响更加显著;桥墩损伤程度是随着落石动能增加而增加,而落石质量大小对桥墩损伤程度更为显著,且落石质量增加使桥墩的损伤形式更偏向于斜截面受剪;我国《公路路基设计规范》和《铁路工程设计技术手册》撞击力计算公式计算结果偏小,设计不太安全,日本道路公团公式的计算结果与数值模拟的撞击力峰值吻合良好,建议工程设计采用.     

接触面对驳船撞击桥墩动力响应的影响

碰撞接触面形式对驳船撞击桥墩的动力响应存在影响。利用有限元分析方法,研究了驳船与桥墩分别以平面接触和弧面接触碰撞时的撞击力及撞深规律,讨论了碰撞响应差异的力学机理,分析了不同接触形式下桥墩结构的碰撞动力响应;根据驳船撞击作用下桥墩的最大动力响应等效原则,提出了可供桥墩设计所用的等效撞击力。结果表明:驳船撞击桥墩时呈现明显的瞬时弹性碰撞和后期非弹性碰撞2个阶段,碰撞接触面尺寸和形状对驳船撞击桥墩的弹性和非弹性碰撞响应均存在显著影响,最大撞击力不一定能直接作为桥墩的设计依据,而等效撞击力可以作为桥墩的设计参考值。     

基于船撞桥墩有限元数值仿真分析

以赣江某跨桥梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS进行船桥碰撞建模分析,研究船舶以不同的速度及质量撞击桥墩的动态响应。结果表明:桥墩的被撞区和桥墩底部属于危险区域,在该区域内应力在极短的时间内迅速增大,而船舶的最大应力发生在碰撞区和船艏拐角处,尤其是船艏碰撞处迅速产生巨大的变形;随着船舶航行速度及载重量的不断增大,撞击力增长的速度、最大值以及船舶和桥墩的应力均明显增大,但不成线性或倍数增加。     

城市桥梁被车辆撞击后损伤分析

通过研究城市桥梁中当桥墩在重型车辆撞击下的受力状态及车-桥的碰撞机理,采用有限元软件ABAQUS对3种不同车速车辆垂直撞击桥墩的情况进行了模拟分析。分析表明:桥墩被撞击位置处的应力先随时间的增加而增大,达到最大值时,既又随之减小,符合混凝土的弹塑性破坏;并且车速越大,桥墩局部达到的应力及位移也越大。     

重型车辆撞击下桥墩碰撞力简化模型

为了探究钢筋混凝土桥墩在重型车辆撞击下的安全性能, 建立了重型车辆-桥墩碰撞精细有限元模型, 研究了撞击速度、桥墩直径、上部结构边界条件和货物高度对桥墩破坏模式和内力分布的影响; 分析了不同工况下的车辆碰撞力特征, 并基于车辆初始动能耗散特点提出了碰撞力简化模型。分析结果表明: 重型车辆碰撞过程可以分为保险杠、发动机和货物撞击桥墩3个阶段, 碰撞力在前2个阶段主要集中在0.9 m高度处, 而在第3个阶段主要分布在2.7 m高度处; 在重型车辆撞击下, 不仅桥墩端部会出现严重损伤, 碰撞部位附近也可能发生严重的局部冲剪破坏; 由于忽略了碰撞荷载的动力效应和车辆与桥墩的耦合作用, 采用《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60—2015) 中建议的等效静力设计方法难以获得桥墩的实际撞击响应; 撞击速度对桥墩内力和碰撞力的影响最显著, 货物高度的不同会改变碰撞力的空间分布, 但不会影响桥墩的最大内力响应; 重型车辆的初始动能存在6.5 MJ的阈值, 当初始动能小于该阈值时, 车辆发动机和保险杠的碰撞作用对桥墩动力响应起主导作用, 反之, 后部货物的碰撞作用控制碰撞力峰值; 碰撞力简化模型和精细车辆模型预测所得桥墩最大内力响应的相对误差在8%以内, 且计算耗时从6~7 h缩短到4 min。      

基于非线性有限元的桥梁船撞分析与撞击力研究

桥梁船撞通常造成很大的风险,其撞击过程是一个复杂瞬态动力过程,现行规范将这种冲击作用以等效静态力的形式施加到桥梁结构上,计算撞击效应。基于一座内河航道上施工中的桥梁受到船只撞击,计入几何和材料非线性,分析其撞击力和撞击损伤效应。并对比研究不同初速度下的数值分析结果、不同规范的等效静力及其与撞击速度的关系,探讨桥梁船撞作用力。在此基础上,讨论了内河航道船舶等效撞击力,在现有规范下,建议了桥梁设计撞击力的参照公式。     

车辆撞击下UHPC连接预制拼装桥墩动力响应及耐撞性能优化

以UHPC连接预制拼装高架桥墩为研究对象,基于LS DYNA软件对车辆撞击桥墩进行非线性有限元分析.通过UHPC试块轴压试验与落锤试验得到CSCM本构模型;并分析了不同撞击速度下预制拼装桥墩与整体现浇桥墩撞击力、变形发展规律及内力响应的异同;最后通过改变接缝钢筋直径,接缝处摩擦系数及下接缝处UHPC高度等关键参数进一步对预制拼装桥墩耐撞性能进行优化.结果 表明:撞击后预制拼装桥墩的振动周期明显比整体现浇桥墩要短;拼装柱裂缝发展由墩底杯口上端向撞击背面延伸,整体柱则是从墩底延伸;两个桥墩的墩底易出现剪切破坏,被撞击处易发生弯曲破坏,其中拼装柱墩顶可能还会发生弯曲破坏,整浇柱墩顶易出现剪切破坏,拼装柱和整体柱抗撞性能差异不大;此外提高UHPC高度,相较于接缝钢筋直径和接缝处摩擦系数,对拼装柱耐撞性能提升最为明显,桥墩损伤破坏和动力响应也明显下降,可有效提升该桥墩的耐撞性能.     

车辆吸能部件的碰撞试验与数值仿真

为了设计某列车耐撞性车体,实现列车被动安全保护,进行了台车碰撞试验和数值仿真计算,研究了耐撞性车体吸能部件的吸能特性。在台车撞击试验过程中,吸能部件从预期部位开始发生稳定有序的塑性变形,吸收的冲击动能与最大变形量基本成正比关系,说明该部件具有良好的吸能效果。并在此基础上,应用显式动力有限元理论建立了其有限元撞击模型,进行了数值仿真计算。相关性分析结果表明:仿真结果与试验结果基本一致,在整个撞击过程中,撞击力曲线基本吻合,最大撞击力峰值分别为2486·3、2423·1kN,最大变形量误差和初始撞击力峰值误差都小于3%,反弹速度误差小于4%。显然,利用撞击试验验证了数值计算的有效性和可靠性,利用数值计算设计和优化车辆吸能部件是可行的。     

冰流撞击作用下高速铁路桥梁振动抑制研究

为了探明调谐质量阻尼器(TMD)对冰击荷载作用下桥梁振动的抑制效果.以桥梁横向位移方差为减振评价指标,基于传递函数法、动能理论和模态分析法,确定了TMD的最优刚度、阻尼和最佳安装位置;采用有限元法建立了流冰-桥墩撞击模型,计算获得了流冰撞击力;通过分析不同质量比TMD下桥梁结构的动力学响应,研究了TMD对流冰撞击下桥梁的振动抑制特性.结果表明:采用有限元法计算的流冰撞击力峰值与规范计算结果基本吻合;流冰撞击桥墩引起的桥梁跨中和墩顶横向位移主频与桥梁二阶横向模态接近,TMD的最佳安装位置为墩顶处;TMD对冰击荷载作用下桥梁跨中和墩顶横向位移有较大的抑制作用,且对桥梁横向振动加速度也有一定的减振效果.     

撞击荷载下耗能装置缓冲吸能特性研究

在桥墩表面设置耗能装置可提高城市立交桥桥墩和高架桥桥墩抵抗车辆撞击的能力。通过对配置耗能装置桥墩试件侧向撞击的试验研究,分析了耗能装置缓冲、吸能效果及其对桥墩动力响应的影响。研究表明,设置合理的耗能装置能够降低撞击力,达到良好的缓冲效果;同时能够吸收部分撞击能量降低桥墩的动力响应。撞击力可降低49%,跨中受拉钢筋峰值应变可降低63%,跨中位移峰值可降低75.6%。     

滚石对棚洞结构的冲击动力分析

以棚洞结构为原型,对滚石冲击作用下棚洞的接触力、位移、损伤与能量进行了研究。将滚石简化为刚性球体,围岩和土体为理想弹塑性材料,混凝土为弹塑性材料,通过ABAQUS有限元,模拟了不同速度与冲击角度下滚石冲击荷载对棚洞结构的动力响应。分析结果表明:在冲击角不变时,滚石速度越大产生的位移越大,在速度不变时,滚石的冲击角越小产生的位移越大;混凝土防护结构损伤最严重的地方发生在与滚石接触的区域,其次在斜腿柱上端和同柱子连接的横梁处,在实际工程中应加强柱子上端与横梁连接处的强度;棚洞主要通过混凝土防护结构来吸收和消耗冲击能,土垫层吸收和消耗冲击能很有限,为了缓解滚石冲击对混凝土防护结构的破坏,可在棚洞支座处增设耗能减震器。     

动车组抗侧滚扭杆载荷特性

为获得抗侧滚扭杆在动车组运行时所受载荷的变化情况,结合陀螺仪和速度信号,研究了抗侧滚扭杆载荷随列车运行速度、曲线半径和曲线超高的变化规律;统计了不同速度级下抗侧滚扭杆载荷最值,并编制测试载荷谱、趋势载荷谱和动态载荷谱,计算趋势载荷与动态载荷在整个测试载荷中贡献的损伤比. 研究结果表明:直线工况下,抗侧滚扭杆动态载荷幅值随列车运行速度的增加而增加,当运行速度由250 km/h增大到350 km/h时,抗侧滚扭杆载荷幅值最大值增大了30%;在一定的过超高条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线半径减小而减小,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由6.61 kN减小为3.54 kN;在曲线半径一定的条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线超高的增大而增大,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由3.36 kN增大为5.80 kN.      

船桥碰撞结构损伤及船撞力影响因素分析

随着交通运输业迅速发展,船舶航线越来越密集,跨江、跨海大桥数量逐年上升,发生船桥碰撞事故概率增加.采用非线性有限元仿真方法,对6600DWT直立艏货船和方形桥墩碰撞过程进行数值模拟,研究船桥碰撞能量转换关系,分析船舶航速、船艏撞深、船舶应力应变等船舶结构动力响应随时间变化规律.选取船舶航速、船舶载况、碰撞角度、横向偏移距、桥墩截面形式5个因素,设置多组工况,分别研究各因素对船桥碰撞力及碰撞接触时间的影响.研究结果表明:船桥碰撞事故造成船舶碰撞接触区域出现明显塑性变形,其撞击力与船舶航速和载重呈正相关,而与碰撞角度和横向偏移距呈负相关,且与桥墩截面形式存在一定相关性.研究结果再现了船桥碰撞发生全过程,揭示出船桥碰撞损伤局部性以及各因素影响下的船撞力差异.     

流冰对佳木斯松花江公路桥梁的动力反应

结合工程实例介绍了季冰性河流流冰对桥梁基础的动力作用。通过对桥墩在浮冰撞击下水平位移的观测,提出了计算撞击力的方法。     

山区桥墩的泥石流冲击响应研究

为研究泥石流中的块石与桥墩碰撞后的动力响应特性,基于有限元动态接触方法,对三维实体桥墩模型在泥石流作用时的动态响应进行详细研究。研究表明:流体作用下,块石对桥墩的冲击作用不容忽视;墩顶位移随流体流速、压力增大而不断增大;在山区桥墩设计时,应考虑桥墩在偶遇泥石流下的桥墩的抗冲击能力与墩顶上部的变形能力。     

拖带船队撞击钢围堰防撞墩的数值模拟分析

拖带船队是京杭运河中的重要船型之一,运河中船桥相撞击事故时有发生.为了探讨拖带船队对运河桥梁桥墩的撞击作用,以便更好地设计运河桥墩的防撞设施,该文利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了拖带船队和钢围堰填土防撞墩的有限元计算模型,模拟计算了拖船与防撞墩之间的撞击作用,得到了撞击力和撞击能量时间历程的合理规律,可供运河桥墩的防撞设施设计参考.     

基于回弹加速度的回弹仪的有限元分析

本文采用有限元软件Abaqus,采用轴对称模型分析了钢质小球在相同速度下(1 m/s)撞击不同弹性模量的圆柱体发现,钢球的回弹加速度随圆柱体的弹性模量的增加而增加,而回弹完毕后的最终速度一样.采用不同速度的钢球撞击同一弹性模量的圆柱体,则得出钢球的回弹加速度随钢球的速度的增大而增大.当钢球的速度一定时,钢球撞击圆柱体的回弹加速度与圆柱体的加速度相关.如果测出钢球撞击弹性体的加速度,则可以推出弹性体的弹性模量.对于混凝土类材料来说,弹性模量随混凝土的抗压强度的增加而增加,可以由测出的弹性模量来反推混凝土的抗压强度,从而实现基于回弹加速度的混凝土抗压强度无损检测.     

基于能量的船桥碰撞力计算方法

以有限元分析为基础,对1万t级的船舶分别采用不同的撞击速度对桥梁进行正撞分析,得到最大正撞力.采用回归分析方法,比较了船舶初始动量与最大正撞力、初始动能与最大撞击力之间的关系,得到相应的计算公式.与AASHTO公式、修正的G.Wosion公式进行了比较和误差分析,结果表明,基于能量的桥梁船撞力计算方法能很好地计算出船撞力,且误较小.同时,该方法的计算结果很好地反映了船舶初始动能与撞击力之间的关系,并且形式简单,计算方便.