考虑土—结构相互作用的铁路桥限高防护架与超高车辆碰撞的动力响应分析

论文摘要

近年来,为保护铁路桥梁的安全,《铁路运输安全保护条例》规定,下穿铁路桥梁、涵洞的道路,应当按照国家有关标准设置车辆通过限高标志及限高防护架。但是,由于限高防护架设计的不合理或着驾驶人员的错误驾驶等原因,造成限高防护架与超高车辆的碰撞事故屡见不鲜,不仅造成了巨大的经济损失,也严重威胁着铁路桥梁的安全。因此,研究限高防护架与超高车辆的碰撞机理,对改进防护架的设计,提高防护架的抗碰撞能力具有重要的应用价值和现实意义。本文在考虑土-结构相互作用的基础上,基于ANSYS/LS-DYNA对不同工况下限高防护架与超高车辆的碰撞事故进行了非线性数值模拟,对碰撞区域、碰撞力的大小、碰撞作用时间、能量转化等方面进行了研究,得到了以下主要结论:（1）碰撞物初速度和质量对碰撞力有重要的影响。碰撞力的最大值随着碰撞初速度的增大而增大,且两者近似成正比关系,局部碰撞力和碰撞力平均值也随着初速度的增大而增大,但不成正比关系;碰撞力的最大值随着质量比（车辆质量/防护架质量）α的增大而减小,局部碰撞力和碰撞力平均值则随着碰撞物质量的增大而增大。建议在设计中,确定碰撞力设计值时应综合考虑初速度和质量的影响。（2）考虑土-结构相互作用后,碰撞力最大值、局部碰撞力、碰撞力平均值与柱底固结条件相比都增大,其中碰撞力的最大值增幅最大,达到20%左右,局部碰撞力和碰撞力平均值的增幅较小,达到5%左右。同时,随着碰撞初速度和质量的增加,碰撞力的最大值、局部碰撞力、碰撞力平均值的增幅都呈现逐渐增大的趋势。（3）碰撞物的初速度和质量的增大都会使限高防护架的碰撞作用时间增加。在初速度和质量相同的条件下,考虑土-结构相互作用后,限高防护架的碰撞作用时间减小。（4）系统能量绝大部分转化为防护架结构的塑性变形能,限高防护架在碰撞中获得的动能与内能相比非常小。（5）限高防护架结构的破坏主要发生在上部横梁和支撑区域,且其动力响应表现出明显的区域性,体现为:从横梁中间部位至立柱的底端,各构件的动力响应逐渐减弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 限高防护架与超高车辆碰撞事故的调查与分析
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 限高防护架与超高车辆碰撞分析的国内外研究现状
• 1.2.2 相关碰撞领域研究
• 1.3 土-结构动力相互作用的研究与应用
• 1.3.1 土-结构动力相互作用的基本概念
• 1.3.2 土-结构动力相互作用的研究方法分析
• 1.3.3 人工边界
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 ANSYS/LS-DYNA软件介绍及其应用
• 2.1 引言
• 2.2 ANSYS/LS-DYNA软件介绍
• 2.3 ANSYS/LS-DYNA的求解过程
• 2.3.1 LS-DYNA的单元选择
• 2.3.2 简化积分和沙漏控制
• 2.3.3 材料的选择
• 2.3.4 接触控制
• 2.3.5 加载
• 2.4 LS-DYNA程序算法基础
• 2.4.1 控制方程
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 显式算法-中心差分法
• 3 柱底固结条件下防护架的动力响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型
• 3.2.1 有限元模型建立的基本假定
• 3.2.2 有限元材料模型的选择
• 3.2.3 有限元模型的建立
• 3.3 防护架的变形与应力应变分析
• 3.3.1 防护架的变形分析
• 3.3.1.1 防护架的整体变形
• 3.3.1.2 防护架的局部变形
• 3.3.2 防护架的应力、应变分析
• 3.3.2.1 应力分析
• 3.3.2.2 应变分析
• 3.4 碰撞初速度对防护架动力响应的影响
• 3.4.1 位移响应
• 3.4.2 速度响应
• 3.4.3 加速度响应
• 3.5 碰撞物质量对防护架动力响应的影响
• 3.5.1 位移响应
• 3.5.2 速度响应
• 3.5.3 加速度响应
• 3.6 碰撞力及其影响因素分析
• 3.6.1 汽车碰撞护栏碰撞力计算方法
• 3.6.2 初速度对碰撞力的影响
• 3.6.3 碰撞质量对碰撞力的影响
• 3.7 能量变化分析
• 3.7.1 系统能量变化
• 3.7.2 防护架能量变化
• 3.7.3 车厢能量变化
• 3.8 本章小结
• 4 考虑土-结构动力相互作用的防护架动力响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 土-基础-防护架有限元模型
• 4.2.1 模型简介
• 4.2.2 土体与基础的基本参数
• 4.2.3 有限元模型及其网格划分
• 4.2.4 土体边界条件
• 4.3 考虑土-结构相互作用和柱底固结情况下的动力响应比较
• 4.3.1 位移比较
• 4.3.2 速度比较
• 4.3.3 加速度比较
• 4.4 土体弹性模量对防护架动力响应的影响
• 4.4.1 位移响应
• 4.4.2 速度响应
• 4.5 碰撞力比较
• 4.5.1 不同速度下碰撞力的比较
• 4.5.2 不同质量下碰撞力的比较
• 4.5.3 土体弹性模量对碰撞力的影响
• 4.6 能量变化
• 4.7 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录