大橋護欄究竟能否保住我們的生命——萬州長江二橋護欄力學分析

摘要:萬州長江二橋事故竟然是乘客與司機爭執造成的,讓人唏噓。作為大橋的護欄,究竟能否在關鍵時刻保住我們的生命安全呢?本文就從力學的角度,簡單分析下護欄的力學行為。

關鍵詞:萬州,長江二橋,護欄,力學,物理,科學

1、引言

今天上午,萬州長江二橋公交車墜落事故原因已經查明,經過公安系統的調查,確定是乘客未能及時下車與司機發生爭執,導致車輛失控。這個悲劇,希望大家能引以為戒。

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事故監控視頻

事故發生後,網上也出現了很多質疑護欄沒有起到保護的作用。正如網上所言,由於時代的進步,建築的標準也在進步。萬州大橋建設較早,所用標準略低。最新的港珠澳大橋,其護欄就能承受住大車從百米高度加速衝刺,如下圖。

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港珠澳哦大橋護欄撞擊試驗

本文就護欄進行簡單的力學分析,以其判斷護欄是否合格,或者判斷車速多少可以安全。本文對模型進行大量簡化,並不代表實際情況,僅作參考分析。如需實際分析車輛撞擊過程,需要大量的計算時間和參數的獲取。

二、單柱情況

假設護欄材料為鋼,其彈性模量E=200GPa,泊松比0.3。護欄的失效形式是發生不可恢復的變形,即塑性變形,不同類型的鋼的屈服應力不一樣,保守起見,取強度好一點的鋼,屈服應力取400MPa。護欄通常是內空的圓形,假設其尺寸為外直徑10cm,厚度5mm。護欄下部與混凝土固結在一起,上部假設收集中力作用,如下圖所示。

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單柱情況

根據材料理論相關理論,護欄最大應力發生在根部的兩側。

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計算公式

由此,可以算出最大力F約為12.27KN。即假設有12.27KN的力,靜態地作用於護欄的頂端,護欄將會發生不可逆的損壞。可以認為,護欄承受地最大靜態集中力為12.27KN。

為了驗證理論結果,利用ABAQUS進行了分析,結果如下圖。在12.27KN的作用下,其根部最大應力約為374MPa。

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單柱有限元分析

三、多柱情況

考慮到護欄的連接問題,為了便於畫圖,將圓截面變為方截面。外形尺寸10cm*10cm,壁厚5mm。護欄與護欄間距0.8m。如下圖所示。護欄下部與混凝土固結。由於護欄是一排,顯然離撞擊點較遠的地方几乎是不受影響的。因此,我們取了7根護欄,總長度4.8m。側邊兩根護欄設置固定約束。簡單起見,“撞擊力”平均分配到四個點上,如下圖紅點處。

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多柱情況

經過多次實算,施加靜態力,得到:當靜態力為80KN時,根部的最大應力為380MPa,接近屈服應力。即靜態條件下,當外力80KN時,護欄開始承受不住了。

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多柱結果

比較單柱和多柱情況,發現多柱能夠極大的提高整體的承載能力,約能提升6.5倍的承載能力。

四、衝擊情況

衝擊的情況要比靜態力複雜的多。就材料而言,衝擊狀態下,其極限應力顯著下降,造成結構承載能力直線下降。

通過查閱,公交車尺寸一般為2.5*3.1*11.8m,整車質量約11250kg,加上15人後,總質量約12375kg。撞擊力的大小隻與質量和速度有關,所以車子模型以一個塊狀體代替。通過公交車視頻監控發現車速約50km/h,即13.9m/s。假設撞擊時,角度為45°。

電腦還在計算中。。。。估計得明天才能算完。。。

五、總結

大多數護欄並沒有像港珠澳大橋的護欄那麼結實,所以,不得已千萬不要撞過去。另外,以後看到乘客跟司機吵架,要學習下圖中的乘客,一腳踹過去。

大橋護欄究竟能否保住我們的生命——萬州長江二橋護欄力學分析

一腳踹過去


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