行車(chē)落物作用下鋼筋混凝土箱梁破壞形態(tài)分析

琚利平，王銀輝，陸曉宏，單繼棟

(1. 浙江省交通集團(tuán)檢測(cè)科技有限公司，浙江 杭州 310012； 2. 浙大寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；3. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 4. 寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

滾石、落物或車(chē)輛側(cè)翻等事故會(huì)對(duì)公路構(gòu)造物、橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致構(gòu)造物和橋梁出現(xiàn)不同程度的整體或局部損傷[1-3]。行車(chē)落物指橋面行駛車(chē)輛所載意外墜落的重型貨物[4]，如大型鋼材、構(gòu)件、大型軸承、甚至側(cè)翻的集裝箱。行車(chē)落物落地速度一般在5～7 m/s，沖擊質(zhì)量較大，是典型的沖擊荷載。沖擊荷載作用下，由于混凝土應(yīng)變率敏感性、慣性力效應(yīng)和局部非線性塑性變形等原因，破壞形態(tài)和破壞機(jī)理與靜載和普通動(dòng)載作用存在較大差異[5-7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊作用下，鋼筋混凝土梁的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特征進(jìn)行了較為深入的研究。沖擊作用下，鋼筋混凝土梁的破壞過(guò)程分為局部響應(yīng)和整體響應(yīng)兩個(gè)階段[5,8]。局部響應(yīng)階段是指，在沖擊作用前期較短時(shí)間內(nèi)沖擊力迅速達(dá)到峰值，而動(dòng)力響應(yīng)未傳遞到支座，結(jié)構(gòu)局部剪力較大，往往引起剪切或彎剪破壞；在整體響應(yīng)階段，動(dòng)力響應(yīng)已經(jīng)傳遞到結(jié)構(gòu)大部或全部，沖擊力逐漸減小，為常規(guī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。所以，沖擊作用與普通動(dòng)載作用區(qū)別主要在于局部響應(yīng)階段。隨著沖擊速度增大，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在前期局部響應(yīng)階段的作用更加突出，剪切機(jī)制占主導(dǎo)性，如沖擊速度大于15 m/s會(huì)產(chǎn)生沖切破壞[9-12]。可見(jiàn)，常規(guī)按靜載和普通動(dòng)荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在沖擊荷載作用下，往往在局部出現(xiàn)抗剪能力不足導(dǎo)致的破壞。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于沖擊荷載作用下，鋼筋混凝土梁破壞特征的研究，主要集中在簡(jiǎn)單矩形截面梁，針對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的損傷破壞形式及機(jī)理研究還很少。筆者結(jié)合有限元數(shù)值模擬和實(shí)際調(diào)查，開(kāi)展鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在行車(chē)落物等沖擊作用下的破壞形態(tài)和損傷破壞機(jī)理研究，為進(jìn)一步開(kāi)展提升沖擊荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)安全性能研究提供基礎(chǔ)。

1 箱梁受沖擊后損傷形態(tài)

寧波某匝道橋梁的一聯(lián)四跨混凝土連續(xù)箱梁，上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室等高度箱梁，梁高1.5 m，頂板寬10.5 m，底板寬6.2 m，頂板厚24 cm，底板厚24 cm，腹板厚20～50 cm，如圖1。2018年4月28日，一輛載有鋼卷的半掛牽引車(chē)在匝道第五聯(lián)上行駛時(shí)，因車(chē)身側(cè)翻，所載鋼卷沖擊于橋面上，引起第17跨(16#～17#墩)橋面和箱梁嚴(yán)重?fù)p傷。

圖1 受損橋梁布置(單位：cm)Fig. 1 Damaged bridge layout

失事車(chē)型為半掛車(chē)，平板距地面1.5 m左右，跌落鋼卷重2 t，落地位置為第17跨橋面，橫向位于護(hù)欄內(nèi)側(cè)2 m左右，縱向位于跨中附近，如圖2。

圖2 行車(chē)落物沖擊橋梁位置Fig. 2 Position of bridge impacted by falling objects

事故導(dǎo)致箱梁產(chǎn)生嚴(yán)重的裂縫，如圖3、圖4，主要為翼緣板橫縱向交織裂縫和腹板斜裂縫。箱梁裂縫開(kāi)展情況如表1。

圖3 第17跨(16#～17#橋墩)右側(cè)腹板和翼緣板裂縫分布(展開(kāi))Fig. 3 Expansion diagram of crack distribution on right web and flange plate of span No.17 (pier No.16—No.17)

圖4 裂縫照片F(xiàn)ig. 4 Photograph of fracture

表1 裂縫分布Table 1 Fracture distribution

由裂縫情況可見(jiàn)，鋼卷沖擊作用導(dǎo)致箱梁產(chǎn)生三類(lèi)裂縫:①翼緣板上沖擊作用位置四周的剪切裂縫；②翼緣板根部上下貫通的剪切裂縫；③靠近腹板位置自沖擊點(diǎn)附近向支座延伸的彎剪八字形斜裂縫。初步分析，沖擊作用首先造成箱梁翼緣板作用點(diǎn)附近形成四周分布的局部剪切破壞，然后造成翼緣板整體根部剪切破壞及箱梁腹板的彎剪破壞。另外，該橋梁后期加固時(shí)發(fā)現(xiàn)，腹板斜裂縫底部裂縫向底板內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)。

2 有限元分析

筆者以研究梁體損傷破壞狀態(tài)為目標(biāo)，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，建立力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。由于導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的落物一般為剛度較大的大質(zhì)量物體，落物落地后本身可能產(chǎn)生一定變形，但一般不會(huì)散體，吸能程度較少，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，筆者將落物鋼卷按實(shí)際尺寸及質(zhì)量模擬成剛體。同樣，為簡(jiǎn)化計(jì)算并規(guī)整網(wǎng)格劃分，將箱形截面等效成翼緣板等厚和腹板等厚形式。

2.1 建模參數(shù)

落物鋼卷、混凝土和支座墊板均采用Solid單元，鋼筋采用Beam單元。其中鋼卷和支座墊板采用*Mat_ RIGID剛體材料模型，混凝土和鋼筋分別采用*Mat_CSCM CONCRETE、*Mat_PLASTIC _KINEMATIC塑性材料模型，如表2。

表2 有限元材料模型明細(xì)Table 2 Details of finite element material model

參考文獻(xiàn)[4]，梁體混凝土本構(gòu)模型采用MAT-159-CSCM連續(xù)面蓋帽模型，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。該材料模型能將混凝土壓縮、拉伸、破壞響應(yīng)過(guò)程分為彈性、塑性及損傷軟化幾個(gè)階段，能很好考慮材料的硬化、損傷和應(yīng)變率相關(guān)性。混凝土材料模型和鋼筋材料模型主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 材料參數(shù)表Table 3 Material parameter table

鋼筋與混凝土采用共節(jié)點(diǎn)建模，不考慮粘結(jié)滑移。落物與梁體、梁體與支座墊板之間采用自動(dòng)面面接觸(*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE)，縱筋、箍筋與混凝土為防止自身穿透采用自動(dòng)點(diǎn)面接觸(*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE)方式，摩擦系數(shù)為0.3。

LS-DYNA采用單點(diǎn)高斯積分，存在零能模態(tài)。為控制沙漏能，計(jì)算中設(shè)置了該軟件專(zhuān)門(mén)用于沖擊計(jì)算的剛性計(jì)算公式4，其中沙漏系數(shù)設(shè)為0.03。落物設(shè)置為帶初速度沖擊的形式，落物與梁體之間初始距離10 mm，落物鋼卷質(zhì)量2 000 kg，沖擊速度為5.77 m/s(按高度自由落體計(jì)算得到)。

2.2 數(shù)值分析

模型分為四個(gè)部分(PART)：落物、梁體、普通鋼筋和支座墊板，如圖5。

圖5 模型結(jié)構(gòu)Fig. 5 Model structure

2.3 工況分析

事故現(xiàn)場(chǎng)鋼卷掉落情況較為復(fù)雜，過(guò)程無(wú)法精確模擬。為了研究各種可能發(fā)生的落物沖擊作用下箱梁損傷破壞情況，筆者以現(xiàn)場(chǎng)情況為依據(jù)，共設(shè)定5種工況分別進(jìn)行分析，如表4、圖6。其中工況2包含兩種狀況，分別為落物撞擊作用點(diǎn)為中腹板和邊腹板頂，縱向作用位置為跨中。

圖6 荷載作用位置Fig. 6 Schematic diagram of loading position

表4 分析工況說(shuō)明Table 4 Description of analysis conditions

3 箱梁沖擊破壞特征

沖擊作用下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)局部化特點(diǎn)明顯，不同作用位置下，破壞形態(tài)和特征存在較大差異，筆者按不同沖擊作用位置特征分析箱梁破壞形態(tài)。

3.1 沖擊力時(shí)程曲線

沖擊作用時(shí)程曲線是沖擊作用響應(yīng)的重要參數(shù)，各個(gè)工況(不同沖擊作用位置)時(shí)沖擊力時(shí)程曲線如圖7。

圖7 不同荷載工況下的沖擊力時(shí)程曲線Fig. 7 Time-history curve of impact load under different load conditions

由圖7可知，工況1、3、4，沖擊力峰值較小，且持續(xù)時(shí)間較短。工況2沖擊力峰值較大，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

頂板和翼緣板均為板結(jié)構(gòu)，沖擊作用下首先產(chǎn)生作用點(diǎn)附近板結(jié)構(gòu)的局部動(dòng)力響應(yīng)，由于頂板和翼緣板抵抗豎向變形剛度較小，導(dǎo)致板結(jié)構(gòu)形成較大變形，乃至出現(xiàn)損傷破壞，故沖擊力峰值較小。腹板抵抗豎向變形剛度大，沖擊力峰值較大。

由此可知，落物作用于箱梁橫向不同位置時(shí)，沖擊力峰值存在較大差異，動(dòng)力響應(yīng)局部化特征明顯。落物作用于頂板、翼緣板時(shí)，沖擊力峰值遠(yuǎn)小于作用于腹板位置，且作用位置越靠近腹板，豎向變形剛度越大，沖擊力峰值越大。

3.2 塑性應(yīng)變區(qū)域

沖擊作用于箱梁不同位置時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)局部化特征明顯。當(dāng)落物作用于頂板、翼緣板及腹板上時(shí)，首先會(huì)在作用點(diǎn)附近產(chǎn)生變形和應(yīng)變，甚至于損傷破壞，所以動(dòng)力響應(yīng)無(wú)法用全截面內(nèi)力和抗力來(lái)分析，而只能用應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行分析。在沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值模擬中，一般用損傷后的塑性應(yīng)變?cè)茍D分布進(jìn)行描述。筆者將利用混凝土的塑性應(yīng)變區(qū)域，描述箱梁不同位置的破壞形態(tài)。

3.2.1 落物沖擊對(duì)頂板或翼緣板影響

當(dāng)落物沖擊作用于頂板或翼緣板時(shí)，首先在作用點(diǎn)附近產(chǎn)生環(huán)形的塑性應(yīng)變區(qū)域，沖擊作用時(shí)間2 ms時(shí)，作用位置附近的塑性應(yīng)變區(qū)平面圖如圖8(圖中灰白色的區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生塑性應(yīng)變區(qū)域，顏色越白亮，說(shuō)明塑性應(yīng)變?cè)酱?，損傷破壞越嚴(yán)重)。

由圖8可知：①落物沖擊作用于翼板或頂板后，作用位置附近出現(xiàn)環(huán)狀的塑性應(yīng)變區(qū)，這與圖3翼緣板上4條裂縫圍成矩形現(xiàn)象一致；②由于翼緣板作用位置一側(cè)靠近邊腹板，在翼緣板根部出現(xiàn)較大的塑性應(yīng)變區(qū)，這同樣在圖4(b)的根部裂縫可證明；③由于板在兩個(gè)方向支撐條件不同，翼緣板上塑性應(yīng)變區(qū)域?yàn)椴粚?duì)稱(chēng)環(huán)狀，腹板的存在阻止了塑性應(yīng)變向區(qū)域另一側(cè)頂板發(fā)展。

圖8 有效塑性應(yīng)變Fig. 8 Effective plastic strain diagram

3.2.2 落物沖擊對(duì)腹板影響

分析工況2與工況3對(duì)腹板的影響。圖9分別為工況3中腹板和邊腹板的塑性應(yīng)變立面圖。

由圖9可知：①當(dāng)落物沖擊作用腹板，或翼板靠近腹板區(qū)域，均會(huì)造成腹板產(chǎn)生沿梁長(zhǎng)方向呈八字形分布的斜向塑性應(yīng)變區(qū)，這與圖5腹板上八字形分布裂縫，及圖6(a)斜裂縫現(xiàn)象一致，其他腹板未發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)；②腹板跨中位置下緣塑性應(yīng)變發(fā)展不明顯，可見(jiàn)因彎曲導(dǎo)致的腹板下緣裂縫較少，落物沖擊作用下腹板主要以斜截面破壞為主；③工況3腹板的塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)展較工況2小，可見(jiàn)落物沖擊直接作用于翼緣板，翼緣板產(chǎn)生剪切破壞消耗了部分沖擊動(dòng)能，減緩了腹板的破壞程度。④腹板出現(xiàn)塑性應(yīng)變時(shí)間為6～7 ms，頂板、翼緣板出現(xiàn)塑性應(yīng)變時(shí)間為2 ms左右，說(shuō)明動(dòng)力響應(yīng)由頂板至腹板存在傳遞時(shí)間差。

圖9 邊腹板有效塑性應(yīng)變Fig. 9 Effective plastic strain diagram of edge web

工況1由于作用位置距離腹板較遠(yuǎn)，沖擊作用對(duì)腹板的影響進(jìn)一步減小，限于篇幅，筆者未列這兩種工況下腹板產(chǎn)生的塑性應(yīng)變。

3.2.3 落物沖擊對(duì)底板影響

落物沖擊作用導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜裂縫后，繼續(xù)向底板延伸發(fā)展，導(dǎo)致底板出現(xiàn)如圖10底板上向另一側(cè)腹板和支點(diǎn)斜向發(fā)展的塑性應(yīng)變區(qū)。

圖10 底板有效塑性應(yīng)變Fig. 10 Effective plastic strain diagram of floor

由圖10可知：①落物沖擊作用不僅會(huì)導(dǎo)致作用位置的頂板、翼板和腹板出現(xiàn)損傷破壞，同樣會(huì)由腹板塑性應(yīng)變區(qū)斜向發(fā)展延伸至底板，且塑性應(yīng)變區(qū)都是由受沖擊的腹板向其他腹板發(fā)展，靠近受沖擊腹板位置塑性應(yīng)變大，遠(yuǎn)離位置則??；②底板出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)時(shí)間為10 ms左右，發(fā)展滯后于腹板斜裂縫。

3.3 破壞特征分析

由不同工況下箱梁塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)展和分布狀態(tài)分析可見(jiàn)，落物沖擊作用下，鋼筋混凝土箱梁動(dòng)力響應(yīng)和破壞形態(tài)局部化特征明顯，且由局部損傷破壞向整體損傷破壞發(fā)展。

沖擊作用位置越靠近腹板，沖擊力越大，腹板因沖擊作用導(dǎo)致的斜截面剪切破壞越嚴(yán)重；沖擊作用位置越遠(yuǎn)離腹板，沖擊力越小，頂板局部剪切破壞消耗更多能量，從而減小了對(duì)腹板的沖擊效應(yīng)。

落物對(duì)箱梁的沖擊作用傳遞規(guī)律為：落物沖擊作用位置附近的箱梁頂板或翼緣板產(chǎn)生環(huán)形塑性應(yīng)變區(qū)，沖擊作用響應(yīng)傳遞至腹板后可能導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜向八字形塑性應(yīng)變區(qū)，并由腹板底部沿底板發(fā)展。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬分析和實(shí)橋在行車(chē)落物作用下的損傷破壞狀況對(duì)比，得到在落物沖擊作用下，鋼筋混凝土箱梁損傷破壞形態(tài)的一般規(guī)律：

1)橋面行車(chē)落物的沖擊速度可達(dá)5 m/s以上，沖擊速度較大。當(dāng)落物沖擊橋梁時(shí)，產(chǎn)生的破壞和動(dòng)力響應(yīng)與靜力荷載下有很大區(qū)別，各種損傷破壞呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞特征。

2)鋼筋混凝土箱梁在沖擊荷載作用下，沖擊力作用效應(yīng)和損傷破壞形態(tài)呈現(xiàn)局部化特點(diǎn)，形成由頂板作用位置向腹板和底板依次傳遞的過(guò)程，且隨著局部位置損傷破壞消耗能量，沖擊效應(yīng)逐漸減小。

3)當(dāng)沖擊荷載作用于箱梁頂板和翼緣板時(shí)，沖擊作用效應(yīng)會(huì)向作用區(qū)域四周環(huán)向傳遞，當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)力超過(guò)承載能力時(shí)，在頂板和翼緣板產(chǎn)生縱橫向交織的剪切裂縫，形成局部剪切破壞，屬于典型的板沖擊破壞形態(tài)。

4)沖擊作用位置靠近腹板，或正好位于腹板上，沖擊力會(huì)較迅速傳遞至腹板，腹板成為主要受力部位，產(chǎn)生八字形的斜裂縫，是典型的鋼筋混凝土梁的沖擊破壞形態(tài)，同時(shí)會(huì)在斜裂縫底緣向另一側(cè)腹板和支點(diǎn)斜向傳遞。

5)沖擊作用損傷破壞主要出現(xiàn)于沖擊作用點(diǎn)附近的頂?shù)装寤蚋拱?，而箱梁的其他腹板不?huì)參與共同受力。