昨晚22:40，杭州一天橋被超高貨車撞擊導致落梁（圖1），引發廣泛關注。大約10年前，在國家自然科學基金和北京市科委支持下，我曾經和清華大學課題組學生張炎圣、何水濤、徐梁晉、程曉波等開展過一些超高車撞擊橋梁上部結構的研究，所以也借這個機會和大家回顧一下。
圖1 518杭州事故照片（圖片來源杭州交通微博）
超高車輛撞擊橋梁上部結構的事故實際上是大量存在的（圖2）。根據北京有關統計數字，2000~2006年，北京每年發生車橋撞擊事故100+起，50％以上的橋梁遭受過車輛撞擊，20％的橋梁損壞是車輛撞擊造成（北京晚報，2007）。
圖2 國內典型超高車輛撞擊橋梁事故
雖然司機駕駛行為不規范是導致超高車撞擊事故的主要原因，但是即便是交通規則遠比中國進步的發達國家，超高車輛撞擊事故也不能完全避免，例如美國61％跨線橋梁曾遭受撞擊 (Hite, 2007)，14％ 損壞由撞擊導致(Harik et al., 1990)（圖3）。
圖3 國外典型超高車輛撞擊橋梁事故
所以，面對超高車輛撞擊引發的問題，我們除了要提高交通管理的水平，在橋梁設計時合理考慮撞擊作用也是需要的。而我國2004版《橋規》雖然對撞擊荷載做了規定，但是主要是參考國外規范，缺乏基于我國實際情況的研究基礎，且條文規定也相對比較簡單（圖4）。國內外對這個問題的研究積累也很少。
圖4 我國2004版《橋規》對撞擊荷載的規定
所以，針對上述問題，我們系統的開展了相關研究（圖5），希望回答以下三個系列問題：
(1) 對橋梁進行分類，哪些橋梁存在撞壞的危險？哪些橋梁不存在撞壞的危險？
(2) 對可能被撞壞的橋梁，橋梁如果受到撞擊，將遭受多大的撞擊荷載？既有橋梁，如何防護或加固可以抵抗撞擊荷載？新建橋梁，如何設計才能抵抗撞擊破壞？
(3) 對已經被撞擊的橋梁，撞擊過程中橋梁內部受到了多大的損傷？橋梁剩余承載力有多少？
圖5 本研究的邏輯框架
我們首先在實驗室進行了超高車輛撞擊橋梁上部結構的模型試驗，制作了油罐車罐體模型，通過擺錘運動撞擊混凝土T梁、鋼箱梁、鋼板梁、FRP梁橋模型，獲得了撞擊作用下不同橋梁的破壞機理（圖6）。
圖6 開展的超高車輛撞擊模型試驗
而后我們通過有限元分析，驗證了研發的有限元模型可以很好的模擬超高車輛撞擊模型試驗的結果（圖7）。
圖7 建立有限元模型，模擬撞擊試驗結果
基于已經驗證的碰撞有限元模型，我們開展了不同車型、不同橋型的超高車輛撞擊模擬研究（圖8），包括與杭州事故類似的落梁破壞模式模擬。
圖8不同車型、不同橋型的超高車輛撞擊模擬研究
而后，我們就可以明確撞擊導致的破壞模式（圖9），包括整體破壞模式和局部破壞模式。
圖9 撞擊引起的破壞模式
并發現，整體破壞模式主要和撞擊過程的沖量大小有關，局部破壞模式主要和撞擊過程中的最大撞擊力有關。于是，就要設法提出撞擊過程中總沖量和最大撞擊力的計算方法。為此，我們首先建立了超高車撞擊橋梁上部結構的理論模型。根據超高車撞擊橋梁過程中的運動學特征（圖10），通過大量參數討論論證可以進行如下簡化（1）忽略車廂-橋梁摩擦力；（2）忽略車輪-路面摩擦力；（3）忽略車輛重力；（4）橋梁簡化成剛性墻。得到相應的簡化模型和運動微分方程（圖11）。
圖10 撞擊過程中的運動學特征
圖11 撞擊過程的簡化模型和運動微分方程
求解該運動方程，就可以很好的模擬超高車輛撞擊過程（圖12），且無需使用復雜的非線性有限元分析，為提出工程設計方法奠定了基礎。
圖12 簡化模型和精細有限元模型結果對比
基于簡化模型的運動微分方程，通過將撞擊力簡化成半正弦曲線（圖13）
圖13 撞擊力簡化模型
基于動量守恒原理和動能守恒原理（圖14）
圖14 由動量守恒原理和動能守恒原理獲得撞擊力的工程設計表達式
就可以給出撞擊荷載的工程設計公式（圖15），其中主要參數取值我們也編制了計算表格（圖16），查表就可以進行工程計算，不必進行復雜的非線性有限元建模、微分方程求解，非常適合工程人員的需求。且精度也滿足工程需要（圖17）。
圖15撞擊荷載的工程設計公式
圖16 公式參數表格
圖17 設計公式的精度驗證
針對既有橋梁防護車輛撞擊的需要，我們還發明了一種高效輕質的耗能防護裝置并獲得了發明專利（圖18），并通過撞擊模型試驗驗證了該裝置的有效性（圖19）。
圖18高效輕質的耗能防護裝置
圖19 防護裝置效果試驗檢驗
最后我們將上述工作進行了整理，撰寫了《超高車輛撞擊橋梁上部結構研究——破壞機理、設計方法和防護對策》，由中國建筑工業出版社于2011年出版（圖20）。
圖20 總結上述工作的書
時間一晃近十年過去了。真的非常喜歡安安靜靜的做一些系統性的科研工作，做做試驗、做做計算、寫寫書，真的很開心很開心。
感謝上述研究過程中，清華大學葉列平、王宗綱、任愛珠老師，以及北京計算中心等合作單位提供的幫助。
