柔性钢棚洞的落车模拟与动力响应

张蓝月

（四川省建筑设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

随着国家高速铁路网的不断完善，交通干线纵横交错，高铁线与公路线桥出现交叉的情况越来越常见。当出现线路交叉跨越的情况时，要求上跨的线桥应采取符合规范的安全防护措施，与上跨线桥交叉的下穿线路应采取对应的防撞设计。柔性钢棚洞作为一种防护结构，具有降低施工难度、修建维修成本低、效率高以及速度快的特点，被广泛应用于山区公路、铁路以及桥隧连接处等地段，是下穿公路、铁路防撞设计的首选防护结构形式[1]。然而，据调查显示，上跨公路桥发生严重车祸的频率较高，有时甚至会出现汽车失控撞坏防撞墙后翻落桥下的情况，对下方防护结构（例如柔性棚洞）造成冲击，影响下行路桥的正常运营。因此，须对柔性钢棚洞进行落车冲击模拟。该文建立了汽车-棚洞耦合有限元模型，模拟各种落车冲击姿态，计算柔性棚洞受冲击下的动力响应。对不同落车姿态、不同冲击速度下的动力响应结果进行对比，找出汽车最不利的下落姿态，同时总结了动力响应的变化规律，为后续柔性棚洞的优化及设计计算理论的建立奠定了良好的研究基础。

1 建立有限元模型

1.1 柔性钢棚洞有限元模型

采用LS-DYNA 分析软件建立柔性钢棚洞的有限元模型。该棚洞宽15.0 m，高6.8 m，共5 跨，每跨间距3.0 m，一侧有耗能器。采用beam161 单元模拟钢拱架、小钢柱、支撑杆、斜支撑杆、耗能器、卸扣、支撑绳以及柔性环形网中的每个钢丝环[2]。有限元模型如图1 所示，模型边界条件采取环向支撑绳与地面的连接处设为铰接连接，钢拱架柱底与地面设为固定连接。

图1 柔性钢棚洞有限元模型

1.2 落车有限元模型

车辆的计算模型的形式和尺寸参考东风凯普特K8 汽车[3]。在ANSYS 中完成建立整个落车的三维有限元模型和网格划分的任务，为了合理再现该车的结构相关特性（例如质量分布、外形轮廓等），采用实体单元模拟质量块和车轴，其中质量块可以调整其相关仿真参数，从而模拟汽车不同区域的质量分布。

1.3 耦合接触模型和材料模型

运用LS-DYNA 后处理软件将前述的有限元模型导入LS-PREPOST 并进行接触关系定义，车-钢棚洞的接触定义为线-面接触[3]。

用弹性材料（*MAT_ELASTIC）模拟小钢柱和卸扣；用塑性材料（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）模拟工字型支撑杆、钢拱架；用刚体材料（*MAT_RIGID）模拟汽车，其特征是材料刚度无穷大，不用考虑刚体内部节点的相对位移；用索材料（*MAT_CABLE_DISCRETE _BEAM）模拟纵、环向支撑绳；用弹塑性材料（*MAT_PIECEWISE _LINER_PLASTICI TY）模拟环形网、耗能器，采用三折线描述塑性应力-应变本构曲线。

2 动力响应的影响参数分析

根据能量守恒理论可知，被冲击物体的动力响应与冲击物的能量有统计学意义，除棚洞本身的结构特性外，冲击结果与冲击车辆的速度、冲击姿态以及车辆的质量都有统计学意义。利用上述模型模拟棚洞在不同冲击姿态、不同速度的车辆冲击下的动力响应，采用参数化分析方法研究冲击车辆的速度、冲击姿态以及质量对柔性钢棚洞动力响应的影响。

2.1 汽车冲击姿态

控制汽车速度保持100 km/h 不变，只改变汽车的冲击下落姿态。分别模拟汽车车头向下冲击棚洞（如图2 所示）、汽车侧面向下冲击棚洞（如图3 所示）以及汽车车尾向下冲击棚洞（如图4 所示）3 种下落姿态，考虑概率分布，选择棚洞正中作为主要冲击位置，计算柔性钢棚洞的动力响应。

图2 汽车车头向下冲击棚洞示意图

图3 汽车侧面向下冲击棚洞示意图

图4 汽车车尾向下冲击棚洞示意图

2.1.1 能量分析

根据能量守恒定律可以得出公式（1）。

式中：E初为系统的初动能，m、v分别为落车的质量、速度；E1为车辆冲击后因变形而产生的内能；E2为棚洞受冲击发生因变形而产生的内能；E3为冲击过程中因摩擦而耗散的能量；E4为冲击结束后车的残余动能。

可以将公式（1）改写为公式（2）。

动能的损失等于变形能和摩擦耗散的能量和。其中，由变形产生的内能较大，由摩擦产生的能量较小[4]。E2越大，对柔性钢棚洞越不利。3 种下落姿态下系统的内能时程曲线如图5 所示。

由图5 可知，每种下落姿态都会导致棚洞的内能在冲击接触开始不断增大，达到最大值后维持不变。在计算时间内，当汽车侧面向下冲击棚洞时，棚洞因变形而产生的内能最大（3 689 kJ），其次是汽车车尾向下冲击棚洞（3 523 kJ），当车头向下冲击棚洞时，棚洞因变形而产生的内能最小（2 607 kJ）。

图5 3 种下落姿态下系统内能的时程曲线

2.1.2 冲击力分析

为了研究棚洞动力响应中的冲击力与汽车下落姿态之间的关系，需要进行有限元模拟，并给出3 种下落姿态对应的冲击力时程曲线的计算对比结果，如图6 所示。

由图6 可知，每种下落姿态的冲击力都在冲击接触开始的瞬间达到最大值，冲击力的整体变化趋势几乎相同。3 种撞击角度的冲击力峰值几乎在同一时刻出现。其中，汽车侧面向下冲击棚洞时的冲击力最大，其原因是当侧面向下冲击时，汽车与棚洞的相互作用区域变大。由此可见，冲击力的大小不仅与汽车本身质量有统计学意义，而且还受撞击角度的影响。

图6 3 种下落姿态下冲击力的时程曲线

2.1.3 棚洞支撑绳内力分析

除了棚洞系统受冲击后的内能和汽车下落的冲击力外，钢棚洞构件的内力也是可以判断最不利下落姿态的参数。因此，需要进行有限元模拟，并给出3 种下落姿态下棚洞的纵向支撑绳内力时程曲线计算对比结果，如图7 所示。

由图7 可知，在汽车侧面向下冲击的姿态下，棚洞的纵向支撑绳的内力比其他2 种下落姿态大。但是3 种下落姿态的纵向支撑绳的内力曲线的变化趋势不完全相同，其原因是汽车与柔性棚洞的接触面积不同并且接触面积也在不断变化。在3 种不同的下落姿态中，汽车侧面向下冲击时的计算结果对棚洞更不利。

图7 3 种下落姿态下纵向支撑绳内力的时程曲线

2.2 汽车冲击速度

汽车质量取10 t，汽车下落姿态保持侧面向下冲击棚洞不变，只改变汽车的冲击下落速度。模拟当汽车速度分别为60 km/h、80 km/h 和100 km/h 时柔性钢棚洞的动力响应。考虑概率分布，选择棚洞正中作为主要冲击位置。计算棚洞的动力响应，包括系统内能、棚洞纵向支撑绳的内力以及汽车z向位移等，并对相关数据进行分析，得到汽车下落冲击速度对动力响应的影响规律。3 种下落速度下内能、纵向支撑绳内力以及汽车z向位移的时程曲线如图8~图10 所示。

图8 3 种下落速度下内能的时程曲线

由图8~图10 可以得出以下3 个结论：1） 随着冲击速度的提高，内能呈现逐渐变大的特点，速度越快，内能峰值出现的时刻越靠后。2） 当冲击速度提高时，棚洞纵向支撑绳内力逐渐变大，但是内力峰值出现的时刻有差异，可能是由冲击速度方向有差异造成的。3） 当冲击速度提高时，汽车z向位移逐渐变大，速度越快，位移峰值出现的时刻越靠后。

图9 3 种下落速度下纵向支撑绳内力的时程曲线

图10 3 种下落速度下汽车z 向位移的时程曲线

3 结语

该文通过建立落车-柔性钢棚洞耦合模型有限元模型对落车冲击柔性钢棚洞的过程进行数值模拟，计算在不同下落姿态、不同下落速度下棚洞的动力响应，并总结了落车姿态、落车速度对动力响应的影响规律。综上所述，该文得出以下3 个结论：1） 从能量、冲击力以及纵向支撑绳内力3 个方面进行对比，当控制汽车下落速度时，在3 种不同的下落姿态中，汽车侧面向下冲击的内能、冲击力以及棚洞纵向支撑绳内力最大，汽车车尾向下冲击棚洞时各项动力的响应结果适中，车头向下冲击棚洞时的动力响应结果最小。汽车侧面向下冲击对柔性钢棚洞更不利，该文将它作为最不利的下落姿态。2） 控制汽车质量和下落姿态，只改变汽车的冲击下落速度（分别为60 km/h、80 km/h 和100 km/h），随着冲击速度的提高，内能、棚洞纵向支撑绳内力以及汽车z向位移均逐渐增大。3） 决定冲击荷载对柔性钢棚洞造成的损伤程度的因素很多，被冲击物体的动力响应与冲击物的能量有统计学意义，除棚洞本身的结构特性外，冲击结果与冲击车辆的速度、冲击姿态、车辆的质量和刚度都有统计学意义。