落石沖擊下UHPC空心截面墩的損傷分析

方 芳

（蘇邑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）作為一種高強(qiáng)度、高斷裂能的材料，已被應(yīng)用于部分橋梁的主體結(jié)構(gòu)[1]。位于山區(qū)的橋梁面臨著由強(qiáng)降雨、地震和泥石流所引起的落石沖擊風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。位于山區(qū)的UHPC 空心截面墩剛構(gòu)橋同樣面臨較高的落石沖擊風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到落石災(zāi)害對(duì)橋梁安全造成的威脅，并開展了一系列針對(duì)性研究[4-8]。然而，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究對(duì)象均為普通混凝土（NSC）橋墩，暫未有學(xué)者關(guān)注到空心截面墩的抗沖擊性能。為保證UHPC 空心截面墩剛構(gòu)橋的健康安全服役，有必要針對(duì)落石沖擊風(fēng)險(xiǎn)對(duì)其抗沖擊性能展開研究。該文以湖南省永順高速公路一座連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)樵?，采用ANSYS/LS-DYNA 建立了高精度的落石—空心截面墩剛構(gòu)橋碰撞模型。該文分別考慮了NSC 與UHPC 兩種材料，以便于對(duì)UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能進(jìn)行更充分的研究。

1 模型建立

1.1 網(wǎng)格模型

如圖1 所示為該文建立的落石—空心截面墩剛構(gòu)橋碰撞有限元模型。該橋梁為4 跨剛構(gòu)橋，橋面板寬12 m，單跨長(zhǎng)度為72 m 與120 m，總跨徑384 m。橋墩采用雙肢薄壁高墩，邊墩與中墩高墩分別為80 m 與100 m。碰撞位置為橋墩高度的四分之一，即20 m 處。被撞墩的截面為4 m×7.5 m 的空心矩形截面，截面厚度為0.5 m。該文考慮了直徑為3.0 m、3.5 m 與4.0 m 三種不同尺寸的落石。

在圖1 所示的有限元模型中，橋墩、承臺(tái)及上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為采用八節(jié)點(diǎn)常應(yīng)力Solid 單元模擬。鋼筋采用Hughes-Liu 梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散，混凝土與鋼筋之間為完全黏結(jié)。采用*LOAD_BODY_Z 與*CONTROL_DYNAMIC_ RELAXATION 關(guān)鍵字組合的方式對(duì)重力荷載進(jìn)行加載。對(duì)被撞墩的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，相應(yīng)的最大網(wǎng)格尺寸為25 mm。將承臺(tái)底部設(shè)為固定邊界。采用*AUTO_CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)落石與橋墩的面面接觸。

圖1 落石—空心截面墩剛構(gòu)橋碰撞模型

1.2 材料模型

采用連續(xù)面蓋帽模型（CSCM）模擬混凝土的力學(xué)行為，NC 和UHPC 材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別為40MPa、150 MPa。其中，對(duì)于NC，CSCM 提供了自動(dòng)生成材料參數(shù)的方法，只需要輸入材料棱柱體抗壓強(qiáng)度即可。對(duì)于碰撞荷載下UHPC 的材料參數(shù)，可根據(jù)文獻(xiàn)[1]確定?？v向和橫向鋼筋采用雙線性彈塑性模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC) 建模，由Cowper-Symonds 模型來考慮其應(yīng)變率效應(yīng)箍筋和縱筋的屈服極限分別為300 MPa 與400 MPa，失效應(yīng)變分別取為0.2、0.25。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 碰撞力

圖2 給出了不同直徑落石碰撞下UHPC 與NSC 空心截面墩的碰撞力時(shí)程曲線，相應(yīng)的落石速度均為20 m/s。圖3 給出了UHPC 橋墩與NSC 橋墩的碰撞力峰值。

由圖2、圖3 可知：

圖2 碰撞力時(shí)程曲線

圖3 碰撞力峰值對(duì)比

（1）落石與空心截面墩之間的撞擊力屬于脈沖荷載，碰撞力持時(shí)不到0.1 s 即下跌至0。在時(shí)間T=0 s 時(shí)，橋墩與落石開始發(fā)生接觸，且二者之間的碰撞力迅速增大，并在極短的時(shí)間（0.01 s）內(nèi)達(dá)到最大值。落石接觸橋墩后，瞬時(shí)沖擊效應(yīng)使橋墩局部速度增大，同時(shí)落石速度減小。隨后，落石與橋墩發(fā)生分離，導(dǎo)致碰撞力達(dá)到峰值后迅速減小。由于橋墩表面混凝土發(fā)生損傷剝落，落石不斷與新暴露出的混凝土面發(fā)生碰撞，導(dǎo)致后續(xù)碰撞力時(shí)程曲線發(fā)生波動(dòng)。

（2）落石撞擊UHPC 空心截面墩時(shí)產(chǎn)生的峰值碰撞力顯著高于NSC 橋墩。當(dāng)落石與兩種空心截面墩發(fā)生碰撞作用時(shí)，二者的碰撞力變化規(guī)律基本一致。然而，當(dāng)落石直徑d分別為3.0 m、3.5 m 與4.0 m 時(shí)，落石與NSC 橋墩之間的峰值碰撞力分別為27.56×103kN、32.92×103kN 與39.59×103kN；落石與UHPC橋墩之間的峰值碰撞力分別為47.76×103kN、57.37×103kN 與66.38×103kN。落石直徑相同的條件下，UHPC 橋墩的碰撞力比NSC 橋墩平均高71.7%。這是因?yàn)閁HPC 橋墩的剛度比NSC 橋墩更高，導(dǎo)致UHPC 橋墩的碰撞力更大。

2.2 損傷模式

如圖4 所示為落石直徑為3.5 m 時(shí)UHPC 空心截面墩的損傷云圖。由圖4 可知，落石與空心截面墩剛構(gòu)橋發(fā)生碰撞時(shí)，損傷主要集中在被撞墩與相鄰橋墩，且被撞墩的損傷程度遠(yuǎn)高于相鄰橋墩。因此，為節(jié)省篇幅，后續(xù)分析中僅展示出被撞墩的損傷情況。圖5 給出了落石直徑為3.5 m 時(shí)NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷過程。圖6 給出了不同落石直徑條件下NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷差異，圖中還給出了鋼筋的變形云圖。

圖4 橋梁整體損傷（UHPC 空心截面墩，d=3.5 m）

圖5 NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷過程（d=3.5 m）

圖6 不同落石直徑條件下NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷模式對(duì)比

由圖5 可知：NSC 與UHPC 空心截面墩遭受落石沖擊時(shí)，二者損傷模式接近，且損傷程度隨時(shí)間逐漸加深。當(dāng)T=0.03 s 時(shí)，迎撞面出現(xiàn)明顯的橢圓形壓潰損傷區(qū)域。這是因?yàn)槁涫诮佑|橋墩表面時(shí)，其沖擊應(yīng)力波以接觸點(diǎn)為圓心等速向四周傳播。由于應(yīng)力波在水平面上的傳播路徑發(fā)生轉(zhuǎn)折，導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域演化為橢圓形。T=0.06 s時(shí)，應(yīng)力波沿橋墩豎向傳播，引起橋墩迎撞面出現(xiàn)一條細(xì)長(zhǎng)的受拉損傷區(qū)域。該細(xì)長(zhǎng)損傷區(qū)域向下延伸至橋墩基礎(chǔ)部位，向上延伸至墩頂，有貫穿橋墩全高的趨勢(shì)。與此同時(shí)還可觀察到橋墩側(cè)面出現(xiàn)三角形拉壓復(fù)合損傷區(qū)域。這是由于應(yīng)力波由迎撞面?zhèn)鞑ブ翗蚨諅?cè)面所引起的。隨時(shí)間推移，橋墩變形進(jìn)一步增加，在T=0.21 s 時(shí)，NSC 與UHPC 橋墩上半部分均出現(xiàn)受彎損傷區(qū)域。對(duì)于橋墩墩底與墩頂部位，NSC 與UHPC 橋墩均出現(xiàn)受剪損傷。這是因?yàn)閯倶?gòu)橋上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，對(duì)橋墩的約束作用近似于固定支座。在此條件下，橋墩可近似看作兩端固定的超靜定梁。當(dāng)橋墩受到落石的沖擊作用時(shí)，橋墩兩端支座受到巨大的剪力，導(dǎo)致受剪損傷發(fā)生。

由圖6 可知：NSC 與UHPC 橋墩的損傷程度均隨落石直徑增加，UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能顯著高于NSC 空心截面墩。具體體現(xiàn)在：

（1）不同尺寸落石沖擊條件下，兩種空心截面墩均出現(xiàn)迎撞面壓潰損傷、墩底剪切損傷、橋墩背面損傷及上半部分受彎損傷等主要損傷模式。然而，UHPC 空心截面墩的損傷程度遠(yuǎn)低于NSC 空心截面墩。

（2）UHPC 空心截面墩的鋼筋損傷顯著低于NSC橋墩。對(duì)于NSC 橋墩，其鋼筋網(wǎng)在落石直徑為3.0 m 時(shí)就已發(fā)生部分?jǐn)嗔眩易冃屋^大。當(dāng)d=4.0 m 時(shí)，NSC橋墩的鋼筋全部被落石擊穿，鋼筋網(wǎng)出現(xiàn)一個(gè)圓形鏤空區(qū)域，這意味著NSC 橋墩的迎撞面已喪失抗變形能力。相比之下，UHPC 橋墩鋼筋網(wǎng)的完整度顯然更加優(yōu)異。雖然UHPC 橋墩的鋼筋網(wǎng)同樣出現(xiàn)了明顯的變形，且少部分鋼筋發(fā)生斷裂。但其鋼筋網(wǎng)仍具有較高的完整性，意味著UHPC 空心截面墩還具有相當(dāng)?shù)目箾_擊能力。

3 結(jié)論

該文主要結(jié)論如下：

（1）落石與空心截面墩之間的撞擊力屬于脈沖荷載，碰撞力持時(shí)不到0.1 s 即下跌至0。落石撞擊UHPC 空心截面墩時(shí)產(chǎn)生的峰值碰撞力顯著高于NSC 橋墩。落石直徑相同的條件下，UHPC 橋墩的峰值碰撞力比NSC 橋墩平均高71.7%。

（2）空心截面墩主要損傷模式為：被撞部位出現(xiàn)明顯的橢圓形壓潰損傷區(qū)域；迎撞面豎向出現(xiàn)一條細(xì)長(zhǎng)的受拉損傷區(qū)域；橋墩側(cè)面出現(xiàn)三角形拉壓復(fù)合損傷區(qū)域；橋墩上半部分均出現(xiàn)受彎損傷區(qū)域；墩底與墩頂出現(xiàn)受剪損傷。

（3）UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能顯著高于NSC 空心截面墩。具體體現(xiàn)在：不同尺寸落石沖擊條件下，UHPC 空心截面墩的損傷程度遠(yuǎn)低于NSC 空心截面墩，UHPC 空心截面墩的鋼筋損傷顯著低于NSC 橋墩。