基于桥梁钢护栏防撞性能有限元分析的研究.doc

基于桥梁钢护栏防撞性能有限元分析的研究 【摘要】在桥梁工程中，护栏是一种必不可少防护部件，可以有效降低车辆碰撞桥梁时的损失。在本文中，我们采用有限元分析法对桥梁工程的梁柱式钢护栏的防碰撞性能进行分析，分析结果表明，当车辆与桥梁的碰撞速度为22.2m/s时，护栏的最大应力和位移随着碰撞角度的增加而不断变大。 【关键词】桥梁工程；梁柱式；钢护栏；有限元分析 1.前言 近些年来，随着经济建设的快速发展，我国的桥梁事业也在快速前进。在桥梁工程中，护栏部件是必不可少的，可以有效降低车辆碰撞桥梁时的损失。梁柱式钢护栏具有很好的防护性能，当车辆碰撞到桥梁时可以产生一定的弯曲变形和张拉力，使得车辆受到的碰撞作用力有效减小，因此广泛应用于桥梁建设事业。我们采用有限元分析方法，通过有限元模拟的方式确定车辆碰撞力，研究桥梁工程钢护栏结构的防撞性能，这对于桥梁建设事业具有至关重要的意义。 2.桥梁护栏防撞性能研究方法 （1）实车碰撞试验的护栏防撞性能研究虽然精确性较高，但是实车碰撞试验需要很高的费用，车辆碰撞桥梁的过程较为复杂，容易受车辆的车速、碰撞角度等因素的影响，需要进行多次的实车碰撞试验才能对车辆与桥梁的碰撞过程进行全面的研究，在现实研究中往往容易受经济条件的限制而难以进行，使用性不高。 （2）缩尺模型试验是将具有一定比例的车辆模型用于碰撞试验，是一种试验费用低且过程容易控制的试验方法，在实验室内进行可以实现车辆对护栏的冲击特性、撞击刚度等参数有效研究，但是在此研究方法中车辆模型的动力系统相似性问题难以解决。 （3）数值模拟是一种通过建立相关的数学模型而实现护栏碰撞性能研究的方法，与前两者相比，这是一种比较实用的护栏防撞性能研究方法，尤其是近些年来，计算机技术的飞速发展，给数值模拟提供了技术支持。利用模拟仿真可以改变实验条件而进行多次重复的模拟实验，能够取得很好的研究结果。目前的数值模拟常用的有限元分析程序主要有一下几种：ABAQUS；MADYMO；PAM-CRASH；LS-DYDA等，在本文中，我们采用ABAQUS。 3.建立有限元分析模型 3.1建立护栏体系模型 参考浙江省九堡大桥护栏结构的施工图建立有限元分析模型，护栏体系的正面尺寸及立面尺寸分别见图1（a）和（b），结构成分主要有护栏横梁、钢立柱、钢立柱混凝土底板。 图1（a） 图1（b） 图1 护栏体系的正面及立面尺寸图 （1）护栏横梁模型。建立模型时可将护栏横梁作为均质连续圆管，按照横梁截面中心尺寸（φ为117.25毫米）建模，用横梁护栏壳单元（厚7.5毫米）模拟，布置三根护栏横梁（横梁间距350毫米）。在护栏横梁圆周上以映射网格的方式划分16个单元，横梁长度方向均匀划分[1]。为精确计算车辆碰撞桥梁的动力特性，在划分中间跨护栏网格时应较密，以25mm间距较为适宜，两段跨护栏网格间距可适当加大，图2为建立的护栏横梁圆管有限元模型。 图2 钢管横梁有限元模型图 （2）立柱模型。将立柱U型槽钢看作上下大小一样、尺寸均为150毫米的结构，立柱竖板尺寸930×200×7毫米，将槽钢和竖板以壳单元（尺寸为7毫米）模拟。立柱底板尺寸240×200×20毫米，以实体单元形式模拟，网格间距25毫米。立柱结构以映射网格的形式划分，网格尺寸25毫米。最后使用merge指令将立柱和底板结构相连接，建立立柱的有限元模型，具体见图3。 图3 护栏立柱有限元模型图 （3）防阻块模型。防阻块尺寸为250×100×10毫米，以壳单元（厚10毫米）的形式模拟，以映射网格的形式划分防阻块，网格间距25毫米，在本文中将防阻块划分为3个单元，如图4所示。 图4 护栏体系防阻块有限元模型图 （4）立柱混凝土基座模型。立柱系统的建模使用实体单元的形式，基座尺寸500×200毫米，截面为一个梯形和矩形，梯形斜边坡度1:1。把节点以六面体单元形式划分，中间处网格应较两端处网格密一些，图5为基座的有限元模型。 图5 基座有限元模型图 在护栏体系中，横梁与防阻块、立柱与立柱混凝土底座均以焊接形式连接，因此在建立模型中可分别将横梁模型与防阻块模型、立柱模型与立柱底座模型使用tie命令相连，使其具有相同的6个自由度；防阻块与立柱以高强锚栓的形式相连，可将防阻块模型与立柱模型的单元节点采用tie命令相连，保证两者连接处自由度变形协调。将护栏横梁模型、钢立柱模型、防阻块模型和立柱混凝土底座模型组合[2]，得到桥梁工程护栏结构的有限元模型图，见图6。 图6（a） 图6（b） 图6 护栏系统有限元模型图及模型局部放大图 护栏体系使用Q345C的结构钢材，使用混凝土规格为C50，护栏体系的主要材料参数为：弹性模量2.05×105MPa；密度7.85×106g/m3；泊松比0.3。采用线弹性本构关系计算[3]。 3.2建立汽车模型 建立完整的汽车有限