Simplified Impact Load Model Analysis of Vehicle-to-Bridge Pier Collision
// Анализ упрощенных моделей нагрузок для задачи моделирования столкновения транспортного средства с опорой моста //
Chaoran Xu and Chung C. Fu (USA)
Столкновение транспортных средств с опорами мостов, с одной стороны, является "особым" и довольно редким событием, но, с другой стороны, может приводить к катастрофическим последствиям. В американских стандартах проектирования AASHTO LRFD для проверки конструкции опоры на подобные ситуации используется эквивалентная статическая нагрузка. Как отмечают авторы статьи, такой подход не учитывает ключевые особенности данной ситуации, а именно ее динамическую природу, и связанные с ней зависимости параметров удара от скорости и массы транспортного средства. С другой стороны, полная динамическая постановка данной задачи сложна и ресурсозатратна в решении и не может рассматриваться, как полноценный инженерный инструмент. В данном исследовании авторами предлагаются две методики проверки конструкции опоры в динамической постановке. Первая основывается на использовании упрощенной модели воздействия нагрузки на стержневую модель опоры, с использованием системы из масс, пружин и демпферов. Вторая методика основывается на использовании статистического метода регрессионной модели на основе поверхности отклика. Для возможности сопоставлении результатов данная задача также была решена в динамической постановке с использованием детальной конечно-элементной модели. Результаты, полученные с использование упрощенных моделей, незначительно отличались от результатов ресурсозатратного детального анализа. Авторами делается вывод, что предложенные модели обеспечивают более точные оценки по сравнению с статическим подходом, что делает их практичным инструментом для инженеров при оценке событий столкновения.
Abstract: As a key member of the bridge substructure, the pier is always the most critical part under a variety of hazards, among which vehicle-induced impact is a rare but extreme load hazard that may result in significant structural damage and even the full failure of the bridge. Current design provisions, such as those in the AASHTO Load and Resistance Factor Design (LRFD) Bridge Design Specifications, adopt a constant equivalent static force (ESF) of 600 kips to represent vehicle impact loads. However, this simplified assumption neglects key parameters—such as vehicle speed, mass, and pier geometry—that significantly influence impact behavior. This study develops and evaluates two simplified impact load estimation models to improve the accuracy and practicality of design-level assessments: a reduced-order dynamic model and a response surface model. The reduced-order dynamic model captures vehicle–pier interaction through a simplified mass–spring system, while the response surface model uses regression-based relationships derived from extensive finite element (FE) simulations conducted in LS-DYNA. Sensitivity analyses identify the most influential parameters governing impact loads, including vehicle velocity, cargo mass, pier diameter, and impact height. The results show that both models can effectively predict peak dynamic and equivalent static impact loads, providing more accurate and physically interpretable results than the current constant-load approach. The proposed frameworks offer practical tools for bridge engineers to evaluate vehicle–pier collision scenarios and can be further extended for use in truck-to-pier and ship-to-pier impact analyses.
Simplified Impact Load Model Analysis of Vehicle-to-Bridge Pier Collision / C. Xu, C.C. Fu, C. Xu, C.C. Fu // Infrastructures. – 2025. – Vol. 10. – № 12. DOI: 10.3390/infrastructures10120320
Заглавное изображение - авторов статьи