桥梁是城市基础设施建设中至关重要的一部分，随着当今交通量的剧增，桥梁结构需要承担的前所未有的巨大车流量，导致了桥梁结构及构件遭受车辆撞击的可能性大大增加。虽然车辆撞击桥梁构件的发生概率较小，但其造成的后果较为严重，已经引起了人们的广泛重视。根据美国联邦公路管理局统计局统计，在1746起桥梁坍塌事故中，520起是由撞击引起，是导致桥梁垮塌的第三大原因，而一直受到广泛研究的地震仅导致了19起。

三塔悬索桥与传统的两塔悬索桥相比，其具有结构承载力大、无须使用巨大的锚固桥墩以及经济性高等优点。然而，这种桥梁多数处于交通枢纽位置，结构一旦遭到破坏，将会导致极大的人员伤亡和财产损失。

综上所述，对于三塔悬索桥结构及构件，在车辆撞击作用下的分析十分重要。桥塔作为悬索桥结构中的核心部件，起着将主缆力传至基础的重要作用。在三塔悬索桥中，其中间塔的重要性更甚。中塔协调着不同跨主缆的内力和主梁的挠度，若中塔存在异常的应力或变形，则全桥的受力会产生明显的变化。然而，中塔与主梁车道直接相邻，一旦行驶车辆失控，则会有很大可能撞击塔身结构，威胁桥塔的安全。

因此，本文将依托泰州长江公路大桥这一背景工程，模拟三塔悬索桥钢结构中塔在受到车辆撞击作用下的结构响应，明确其结构性能变化规律，从而对未来该桥梁体系的设计与维护给出指导建议。

泰州长江公路大桥主桥采用主跨跨径为1080m的双主跨悬索桥桥型方案，是世界上首座建成的主跨超1000m的三塔连跨悬索桥，主缆跨径布置为（390+2×1080+390）m。主桥布置如图1所示。

图1 泰州长江公路大桥主桥布置图

桥塔采用中、边塔不等高设计，两座边塔为高180m的混凝土桥塔，中塔则采用191.5m高全钢结构门字形桥塔。为保证鞍座不产生滑移以及主梁的挠度能够满足要求，中塔沿纵桥向为人字形设计，如图2所示。

图2 钢中塔布置图

全塔主要采用强度级别为Q370qD和Q420qD的高强钢材制作，板件厚度在40～150mm之间。

本文采用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA为计算平台，建立钢中塔与车辆的有限元模型，进行车辆撞击塔身结构的显示动力分析。该软件采用罚函数算法进行碰撞接触分析，通过对接触网格上的穿透点施加界面力，使其撤回接触界面，来保持物体接触模拟的真实性。

钢中塔有限元模型的建立

在进行碰撞一类的非线性分析时，材料模型尤为重要，直接影响分析结果的精确性。本文采用Cowper-Symonds材料模型模拟塔身钢材和车辆材料，该模型可通过参数设置计入钢材应变率效应对材料强化阶段的影响。

本文参考了《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2015）对钢材材料特性的规定与国内外多名学者对应变率效应的研究成果，确定了钢中塔材料模型的参数设置，如表1所示。

在完成材料模型设置后，便可以建立钢中塔结构的有限元模型，全塔均采用SHELL163单元进行建模，塔底约束所有节点全部自由度。建立完成的有限元模型如图3所示。

图3 钢中塔有限元模型

设置车辆有限元模型

泰州大桥作为公路I级桥梁及江苏省交通枢纽，因此其上行驶的车辆种类繁多。本研究结合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）中的规定，确定了研究车型为小客车、大客车、厢式货车、罐式货车四种。四种车型的车身质量分别为1.5t、25t、40t和55t。

车辆车身均采用Q345钢材模拟，采用SHELL163单元建立模型，主要对车辆外壳、车厢、货箱以及必要的支撑骨架进行建模，其余构件的质量通过换算至已建模结构的密度进行考虑。换算所得四种车辆模型的密度分别为7850kg/m3、25533kg/m3、17448kg/m3和31402kg/m3。

车辆的材料同样采用Cowper-Symonds模型，除屈服强度为345MPa之外，其余设置与钢中塔材料模型相同。

由于钢中塔与车行道之间存在防撞护栏，因此需要先进行车辆撞击护栏分析，以得出车辆冲出护栏的可能性，以及冲出护栏后车辆速度的衰减规律。

工况设置

对于车撞分析，碰撞速度与角度是必不可少的设置参数，也直接影响车撞结果的严重性。

对于碰撞速度，本文结合各规范中的规定以及泰州大桥实际限速要求，最终确定各类车型车辆的行驶速度均为80km/h。

碰撞角度指汽车纵轴线与被撞物体被撞面的锐角夹角值，其与多种因素有关，如道路等级、车型、车辆在道路横向的位置，等等。考虑到泰州大桥的重要地位和碰撞事故影响的严重性，本文对所有车型取30°和45°两个碰撞角度进行验算。

结果分析

建立SS级护栏模型，对四种车型进行了撞击护栏的分析，其结果如表2所示。

从表2可以看出，不同车型的车辆在撞击护栏后的情况各不相同。对于重量最小的小客车，其在各个碰撞角度下均不会冲出护栏；而重量较大罐式货车在各个碰撞角度下均会冲出护栏，且车速几乎没有衰减；大客车与厢式货车虽会冲出护栏，但由于护栏的阻挡，车速具有较大幅度的减少。

因此，在后续车辆撞击钢中塔的分析中，将不考虑小客车的工况。同时，对于碰撞速度，考虑到车辆冲出护栏这一事件随机性大、影响因素多，数值模拟难以完全还原。且失控车辆冲出护栏后存在继续加速的可能，故最终设定大客车和厢式货车撞击桥塔速度为50km/h，罐式货车为80km/h。

钢中塔与防撞护栏实际还存在距离，为方便模拟将其简化。同时，由于钢中塔塔柱构造复杂，内部纵横板件极多，因此在本文的分析中，将着重展示对塔柱结构性能影响较大的外板件与横隔板的响应情况。

大客车撞塔：局部微损 

钢中塔受到大客车撞击时，受碰撞区域塔柱板件的有效应力时程曲线如图4所示。

（a）碰撞角度30°

（b）碰撞角度45°

图4 钢中塔各板件有效应力时程曲线

从图4中可以看出，钢中塔受到大客车撞击时，受载区域塔柱内部横隔板受力较外钢板更为不利。

在碰撞角度为30°时，桥塔结构受到了两次碰撞，其中第一次碰撞更为严重。横隔板最大应力出现在0.145s时，为384.7MPa；外部钢板最大应力出现在0.645s时，为146.9MPa，远小于屈服强度。在碰撞结束后，板件的应力均能够回到初始状态。可见，结构在整个碰撞过程中均处于弹性状态，无损伤发生。

在碰撞角度为45°时，桥塔结构受到了两次碰撞，其中第一次碰撞更为严重。横隔板最大应力出现在0.120s时，为459.8MPa，超过了屈服强度；外部钢板最大应力出现在0.730s时，为209.4MPa，远小于屈服强度。在碰撞结束后，横隔板产生了约100MPa的残余应力，有塑性区域产生。提取此时横隔板的有效塑性应变云图，如图5所示。

图5 钢中塔横隔板有效塑性应变云图

（车撞角度45°）

可以看出，横隔板由于车撞导致的塑性应变最大值仅为0.003，且仅有横隔板上的局部区域进入了塑性状态。可见，车撞导致的局部损伤并不严重。这是由于大客车本身重量较小，在冲出护栏后车速也下降较多，并不会给钢中塔带来明显的影响。

厢式货车撞塔：塔无大碍

钢中塔受到厢式货车撞击时，受碰撞区域塔柱板件的有效应力时程曲线如图6所示。

（a）碰撞角度30°

（b）碰撞角度45°

图6 钢中塔各板件有效应力时程曲线

从图6可以看出，钢中塔受到厢式货车撞击时，受载区域塔柱内部横隔板受力较外钢板更为不利。

在碰撞角度为30°时，桥塔结构受到了两次碰撞，其中第一次碰撞横隔板响应较大，第二次碰撞外钢板响应较大。横隔板最大应力出现在0.145s时，为488.8MPa，超过了屈服强度；外部钢板最大应力出现在0.625s时，为453.9MPa，也达到了屈服强度。在碰撞结束后，没有出现较大的残余应力；而横隔板产生了约50MPa的残余应力。可见，横隔板在碰撞过程中有轻微的塑性产生，但总体来说仍处于弹性状态。

在碰撞角度为45°时，桥塔结构受到了一次碰撞。横隔板最大应力出现在0.120s时，为518.9MPa，超过了屈服强度较多；外部钢板最大应力出现在0.165s时，为388.4MPa，未达到了屈服强度。在碰撞结束后，外钢板的应力状态基本能够回到初始状态，而横隔板的应力稳定在350MPa左右，相比于初始状态增大了约300MPa。可见，横隔板在碰撞过程中有塑性区域的产生，且塑性程度较高。提取此时横隔板的有效塑性应变云图，如图7所示。

图7 钢中塔横隔板有效塑性应变云图

（车撞角度45°）

可以看出，横隔板由于车撞导致的塑性应变最大值为0.0148，相比于大客车撞击时的情况有了较大的增长。但塑性区域仍很小，对塔柱整体性能影响不大。

罐式货车撞塔：塔无大碍

钢中塔受到罐式货车撞击时，受碰撞区域塔柱板件的有效应力时程曲线如图8所示。

（a）碰撞角度30°

（b）碰撞角度45°

图8 钢中塔各板件有效应力时程曲线

从图8可以看出，钢中塔受到罐式货车撞击时，受载区域塔柱内部横隔板与外部钢板的动力响应较为接近。

在碰撞角度为30°时，桥塔结构受到了两次碰撞，其中第一次碰撞横隔板响应较大，第二次碰撞外钢板响应较大。其中，横隔板最大应力出现在0.100s，为501.5MPa；外部钢板最大应力出现在0.440s时，为552.6MPa，均超过了屈服强度。在碰撞结束后，外钢板的应力稳定在350MPa左右，存在约250MPa的残余应力；横隔板的应力稳定在450MPa左右，残余应力达到了400MPa。可见，塔柱板件在碰撞过程中均产生了塑性区域，且塑性程度较高。

在碰撞角度为45°时，桥塔结构仅受到了一次碰撞。横隔板最大应力出现在0.085s时，为551.1MPa；外部钢板最大应力出现在0.115s，为494.8MPa，均超过了屈服强度。在碰撞结束后，外钢板的应力稳定在350MPa左右，存在约250MPa的残余应力；横隔板的应力稳定在450MPa左右，残余应力同样达到400MPa，与车撞角度30°时的响应较为相似。

提取桥塔内外板件的有效塑性应变云图，如图9所示。

（a）外钢板，碰撞角度30°

（b）横隔板，碰撞角度30°

（c）外钢板，碰撞角度45°

（d）横隔板，碰撞角度45°

图9 钢中塔横隔板有效塑性应变云图

可以看出，对于车撞角度30°的情况，外钢板的最大塑性应变达到了0.051，塑性程度已经很高；而横隔板的塑性应变与厢式货车撞击时相似，为0.012。对于车撞角度45°的情况，外钢板的塑性应变较小，只有0.005左右；而横隔板产生了较为明显的塑性应变，达到了0.043。可见在不同碰撞角度下，结构的响应明显不同。总的来说，塑性区域仍较小，对塔柱结构整体性能影响不大。

本文以泰州长江公路大桥为背景，对三塔悬索桥钢中塔在车辆撞击作用下的结构性能进行了模拟研究，主要得出了以下结论：

1. 小型客车由于不会冲出防撞护栏，因此对钢中塔不产生影响；大型客车、厢式货车和罐式货车均会冲出防撞护栏，从而撞击钢中塔，且罐式货车由于质量很大，其冲出护栏后速度降低很少。

2. 在大客车撞击作用下，钢中塔各板件基本能够保持弹性状态，被撞区域横隔板有轻微的塑性产生，但对结构整体性能基本无影响。

3. 在厢式货车撞击作用下，钢中塔被撞区域横隔板有较为明显塑性行为，产生了约300MPa的残余应力，但塑性区域较小。

4. 在罐式货车撞击作用下，钢中塔结构响应最为不利，被撞区域外钢板与横隔板均有塑性产生，残余应力分别为250MPa和400MPa，但塑性区域仍不大。

总的来说，车辆质量、行驶速度与碰撞角度越大，其撞击钢中塔所带来的影响也越大。对于大型车辆的撞击，钢中塔会产生一定的塑性变形与残余应力，但只限于局部区域，结构整体性能受到的影响较小。