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原文传递桥梁实心圆柱墩防车撞分析及防撞装置优化研究

论文题名：	桥梁实心圆柱墩防车撞分析及防撞装置优化研究
关键词：	桥墩防车撞分析;防撞装置;材料种类;撞击力时程;性能优化
摘要：	车辆与桥梁一旦发生碰撞事故，会对国家经济、人民生命财产带来巨大的损失。因此，国内外学者开展了一系列车桥碰撞和防撞装置的理论与试验研究，并针对一些易发事故地段提出了多种防车撞装置措施。防撞装置种类繁多，本文主要针对不同材料的附着式防撞装置，研究其防车撞性能，对桥墩防车撞的理论和实际工程应用上都具有重要指导意义。　　本文的主要研究工作分为以下几个方面：　　（1）通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了车辆撞击桥墩有限元模型，并分析了车辆与桥墩的材料本构、二者的接触选择、对沙漏能和界面滑移能的检查等建模时遇到的重要问题。根据能量守恒和撞击力对比分析，验证了车桥碰撞计算结果的正确性。并对一典型工况的车辆与桥墩碰撞进行计算，分析撞击结束后桥墩的动力响应，计算结果显示：在车辆撞击作用下，桥墩所受应力从撞击区域向墩底发展速度快于向墩顶发展速度，撞击区域所受应力大于墩底区域，易发生局部压溃破坏，说明车桥碰撞过程中应力损伤的区域主要为撞击区域，其次是墩底区域。　　（2）建立三种防撞装置有限元模型。首先介绍了泡沫铝材料、橡胶混凝土材料和泡沫铝外包橡胶混凝土材料，确定了三种防撞装置仿真模拟的单元类型、材料以及相应参数的取值，建立了车-防撞装置-桥墩有限元模型。分析8t的中型卡车以80km/h的速度正撞加有三种防撞装置的桥墩的过程，对比碰撞过程中能量变化、桥墩所受撞击力大小和装置的撞深。结果表明，带有三种防撞装置的桥墩所受撞击力峰值分别减小了28.9%、21.2%、23.6%，其中泡沫铝防撞装置刚度最小，橡胶混凝土防撞装置刚度最大，泡沫铝外包橡胶混凝土防撞装置刚度介于两者之间。　　（3）为研究不同碰撞情况下三种防撞装置的防撞性能，本文选用速度为20km/h、40km/h、60km/h、80km/h，质量为8t、12t、16t，偏心距为0、0.3m、0.6m、0.9m来建立一系列工况，对碰撞过程能量的转化、撞击力的大小、防撞装置吸收的内能和撞深等进行了详细的研究。结果表明，泡沫铝防撞装置撞击力折减率最大，但其有最大的塑性撞深和最长的撞击持续时间，其次是泡沫铝外包橡胶混凝土防撞装置，橡胶混凝土防撞装置撞击力折减率最小，其塑性撞深也最小，撞击持续时间最短。　　（4）基于局部灵敏度分析，对泡沫铝外包橡胶混凝土防撞装置进行结构优化研究，通过改变防撞装置泡沫铝和橡胶混凝土的材料比例、防撞装置的宽度和高度，分析不同工况下桥墩所受最大撞击力、防撞装置吸能和最大撞深的变化。计算得出，当防撞装置泡沫铝和橡胶混凝土材料比为1:0.5、防撞装置宽度为0.6m、防撞装置高度为2.2m时，泡沫铝外包橡胶混凝土防撞装置缓冲吸能特性较好。对优化后防撞装置进行分析，研究桥墩所受位移、应力等动力响应特征，证明其能有效保护桥墩不受破坏。
作者：	张林凯
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王向阳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021