橋墩受車撞損傷評(píng)估研究綜述

李兆祥，韓艷，覃宇翔 （北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

橋梁作為重要的交通樞紐起著不可替代的作用，而伴隨著高速公路數(shù)量、車輛數(shù)量及其載重水平的不斷增加，車輛撞擊橋墩的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-2]，不僅容易造成橋梁損壞、人員傷亡，而且極易導(dǎo)致交通運(yùn)輸堵塞，嚴(yán)重影響人們的正常生活，嚴(yán)重威脅橋梁和交通安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2002年6月24日，美國南部得克薩斯州一輛載有47 名乘客的公共汽車行駛在高速公路上時(shí)撞上一座橋墩，橋墩撞擊處部分混凝土脫落[3]；2010年9月26日，德國首都柏林南部的10號(hào)高速公路發(fā)生一起惡性交通事故，一輛波蘭旅游大巴遭到一輛轎車側(cè)面撞擊后失控，撞上橋墩，致使橋梁受損但沒有垮塌[4]；2020 年10 月，海張高速石家莊方向1405km+230m 處，一輛拉運(yùn)大型罐體的貨車與跨線橋橋墩發(fā)生碰撞，致使橋墩中部斷裂，鋼筋裸露，隨后橋梁垮塌[5]。從上述事故可知，當(dāng)橋墩遭受車輛撞擊后，橋墩的損傷程度不盡相同，部分橋梁仍然具備通行能力，但部分橋梁由于損傷程度過于嚴(yán)重已經(jīng)徹底喪失通行能力，必須拆除重建或者采取更換橋墩等措施。因此，一套切實(shí)可行的評(píng)估受車輛撞擊后橋墩損傷程度的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)及時(shí)評(píng)估橋梁的受損程度及是否適合繼續(xù)承載顯得尤為重要，而目前尚未有公認(rèn)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，本文在廣泛查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國內(nèi)外橋墩受車撞損傷評(píng)估方法的研究現(xiàn)狀，提出了需要進(jìn)一步研究的問題，以促進(jìn)對(duì)車撞橋墩損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的早日建立。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于橋梁損傷評(píng)估的研究主要集中在地震損傷上[6-9]，對(duì)于車撞橋梁損傷評(píng)估的研究相對(duì)較少。從已有的研究成果來看，可大致將橋墩受車撞損傷評(píng)估分為定性評(píng)估和定量評(píng)估兩種方法。

1.1 定性評(píng)估方法

鄒江娜[10]采用有限元模擬方法對(duì)橋墩車撞損傷進(jìn)行局部損傷評(píng)估和整體損傷評(píng)估，結(jié)果表明，橋墩底部截面的邊界牢固程度對(duì)橋墩的這兩種損傷影響最大，即邊界條件的約束越弱，車輛沖擊引起的橋墩損傷就越大，嚴(yán)重可導(dǎo)致橋墩從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)，此時(shí)必須對(duì)橋墩進(jìn)行墩底加固，必要時(shí)需更換橋墩。對(duì)于混凝土橋墩而言，部分學(xué)者以車輛撞擊后橋墩的裂縫開展?fàn)顩r為主要指標(biāo)對(duì)橋墩損傷情況進(jìn)行評(píng)估。周錫武等[11]利用落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)兩組不同配筋率的鋼筋混凝土圓形橋墩進(jìn)行不同累積作用的沖擊試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，在累計(jì)沖擊能量與當(dāng)次沖擊能量相等時(shí)，橋墩正面碰撞的底部區(qū)域出現(xiàn)了水平彎曲裂縫，橋墩的損傷情況不僅與當(dāng)次沖擊的能量有關(guān)，還與累積沖擊的方式有一定關(guān)系。

為了能夠更直觀地體現(xiàn)出橋墩損傷后的性能狀態(tài)，部分學(xué)者提出了更加具體的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。Lin Chen 等[12]利用有限元分析軟件建立了車輛撞擊橋墩概率模型，提出了一種基于性能的車輛碰撞鋼筋混凝土橋墩的損傷評(píng)估方法，將橋墩的損傷狀態(tài)劃分為輕微損壞、嚴(yán)重?fù)p壞（橋墩的剪切破壞）和完全損壞（橋墩的倒塌）三種狀態(tài)，同時(shí)提出了一種極限狀態(tài)函數(shù)來評(píng)估在車輛碰撞下具有多根立柱的橋梁框架的倒塌，指出可以通過考慮不同的碰撞場(chǎng)景和橋梁類型來評(píng)估相關(guān)的結(jié)構(gòu)性能。

由于碰撞位置的局部位移需求高，鋼筋混凝土橋柱在遭受車輛碰撞的大多數(shù)失效案例中都會(huì)發(fā)生鋼筋屈曲，因此，Omar I[13]將鋼筋屈曲作為墩柱受車輛碰撞后的主要極限狀態(tài)，并定義了三種不同的橋墩受車撞后的性能水平（見表1），同時(shí)提出了一種基于動(dòng)量的等效靜力簡化方程，即式（1），通過驗(yàn)證，該方程的準(zhǔn)確性超過90%，此方程可以根據(jù)預(yù)期的卡車荷載和速度來設(shè)計(jì)不同的橋墩以滿足不同沖擊力的需求。

表1 基于鋼筋屈曲狀態(tài)的橋墩受車撞損傷評(píng)估指標(biāo)

式中：MBESF為撞擊力等效靜力；m為車輛質(zhì)量，單位為ton；vr為車輛速度，單位為m/s；Pm為車輛動(dòng)量，單位為ton·m/s。

Sharma H 等[14]對(duì)車輛碰撞造成的各種不同損壞狀態(tài)進(jìn)行分類并確定相應(yīng)的性能水平，建議損傷級(jí)別按強(qiáng)度增加分為四個(gè)等級(jí)，并基于受車輛碰撞結(jié)構(gòu)的四種可能損壞等級(jí)定義了三個(gè)性能水平。表2 列出了損壞等級(jí)、相關(guān)損壞描述、相應(yīng)的性能等級(jí)以及性能水平的描述。該方法通過相應(yīng)的性能水平確定動(dòng)剪承載力和動(dòng)剪需求，并據(jù)此進(jìn)行基于性能的橋墩抗撞設(shè)計(jì)。但是動(dòng)剪承載力和動(dòng)剪需求均是所施加載荷的函數(shù)，并與結(jié)構(gòu)構(gòu)造和性質(zhì)密切相關(guān)，需要建立復(fù)雜精細(xì)的有限元模型進(jìn)行詳盡的不同碰撞等級(jí)的模擬試算才能完成。

表2 受車輛碰撞鋼筋混凝土柱的性能水平

1.2 定量評(píng)估方法

針對(duì)橋墩遭受車輛撞擊后，橋梁的通行能力是否受到影響的問題，部分學(xué)者提出了橋墩損傷度、橋墩損傷指數(shù)等量化指標(biāo)以便橋墩遭受車輛撞擊后的性能水平等級(jí)劃分。

1.2.1 橋墩損傷度

針對(duì)落石沖擊鋼筋混凝土橋墩的損傷研究，顧?quán)l(xiāng)[15]利用LS-DYNA 軟件建立落石沖擊橋墩模型，借鑒丁陽等[16]評(píng)估鋼筋混凝土橋墩地震損傷程度的方法，并結(jié)合爆炸沖擊作用下橋墩的損傷程度，定義橋墩受落石撞擊損傷度公式如式（2）所示。同時(shí)，借鑒墩柱地震損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)[17-20]，提出了落石沖擊混凝土橋墩損傷指標(biāo)，見表3。落石沖擊鋼筋混凝土橋墩的過程與車輛撞擊橋墩的過程具有一定的相似性，因此，此損傷指標(biāo)的提出對(duì)于車輛撞擊橋墩損傷評(píng)估的研究有一定的借鑒意義。

表3 落石沖擊混凝土橋墩損傷指標(biāo)

式中：D表示橋墩損傷度；Nt表示橋墩受落石沖擊作用后的剩余承載力；N0表示橋墩受落石沖擊前的初始承載力。

劉山[21]采用LS-DYNA 軟件模擬了不同質(zhì)量、速度的車輛對(duì)雙柱式混凝土圓形橋墩進(jìn)行撞擊的過程，提出了橋墩損傷主要分為側(cè)向抗彎剛度的損失以及軸向承載能力的損失。由于橋墩主要承受豎向荷載，當(dāng)車輛撞擊橋墩時(shí)，混凝土區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂縫，混凝土受壓面積會(huì)減小。假設(shè)橋墩作為懸臂柱，在撞擊后做類似單擺的自由振動(dòng)，墩柱在振動(dòng)過程中受彎，通過計(jì)算可知，截面開裂時(shí)，按中和軸位于圓心進(jìn)行計(jì)算，不會(huì)對(duì)結(jié)果造成很大的影響，橋墩開裂最嚴(yán)重截面的截面形狀近似橢圓形。此時(shí)，橋墩損傷度的本質(zhì)就變成了混凝土開裂截面的開裂面積與原設(shè)計(jì)混凝土截面面積的比值，因此，橋墩損傷度可定義為：

式中：D1表示橋墩損傷度；Sy表示墩柱混凝土最大開裂截面剩余的截面面積；Sc表示墩柱初始截面面積。

劉山[21]還根據(jù)橋梁損傷度D1，提出了橋墩受車撞損傷的評(píng)估指標(biāo)，見表4。

表4 橋墩車撞損傷評(píng)估指標(biāo)

Zhou Xiwu 等[22-23]結(jié)合小車沖擊鋼筋混凝土橋墩模型試驗(yàn)，采用模態(tài)頻率識(shí)別評(píng)估橋墩的損傷情況，定義了如公式（4）所示的基于模態(tài)頻率的橋墩損傷度D2，并用傳統(tǒng)的超聲波損傷識(shí)別法[24-25]進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，模態(tài)頻率損傷因子與超聲波聲速損傷因子均與沖擊速度或相同沖擊速度下的沖擊次數(shù)呈一次函數(shù)關(guān)系，且兩者的曲線斜率相近，在兩種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下，橋墩損傷的發(fā)展及延伸情況一致，從而驗(yàn)證了基于一階模態(tài)頻率的橋墩損傷因子是可行的，并結(jié)合橋墩鋼筋動(dòng)應(yīng)變等因素，提出了更為具體的受沖擊作用下的鋼筋混凝土橋墩損傷評(píng)估指標(biāo)，見表5。

式中：D2表示橋墩損傷度；ω0表示墩柱撞擊前的一階頻率；ωb表示墩柱撞擊后的一階頻率。

1.2.2 橋墩損傷指數(shù)

R.W.Li等[26-27]采用LS-DYNA軟件在已有的車橋碰撞有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)已有的車橋碰撞損傷評(píng)估方法進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展，提出了如式（5）所示的損傷指數(shù)λd，并提出了一種基于損傷指數(shù)λd的新的損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，見表6。

式中：λd表示橋墩損傷指數(shù)；VPdsd=0.62Vpveh+ 200，VPveh表示車輛峰值沖擊力；Vdsc表示橋墩動(dòng)態(tài)抗剪承載力。

Zhou Deyuan 等[28]利用LS-DYNA建立了車輛與鋼筋混凝土橋墩碰撞的精細(xì)化數(shù)值模型，通過對(duì)比多種沖擊力的等效靜力，得出局部等效靜力（LESF）更適合用作汽車沖擊力的結(jié)論。LESF 是由對(duì)車輛峰值沖擊力50m/s內(nèi)的瞬時(shí)沖擊力的平均積分得到，考慮了車輛碰撞持續(xù)時(shí)間和車輛峰值沖擊力的影響，并且車輛沖擊力的高應(yīng)變率效應(yīng)也可以通過LESF得到反映，因此將局部等效靜力與橋墩抗剪承載力的比值定義為如式（6）所示損傷指數(shù)λ，并據(jù)此將橋墩受車撞損傷分為四個(gè)等級(jí)，見表7。

式中：λ表示橋墩損傷指數(shù)；LESF為局部等效靜力；F為橋墩動(dòng)態(tài)抗剪承載力。

2 車撞橋墩損傷評(píng)估研究方向

目前關(guān)于橋墩受車撞損傷評(píng)估的研究還停留在理論研究階段，尚未達(dá)到實(shí)用的程度。隨著快速施工橋梁技術(shù)（ABC）[29]的發(fā)展，裝配式橋墩的應(yīng)用逐漸開始增多，而關(guān)于裝配式橋墩受車撞后損傷評(píng)估的研究鮮有相關(guān)文獻(xiàn)，因此，需對(duì)裝配式橋墩受車撞損傷評(píng)估進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。同時(shí)，隨著近年來超特大城市[30]的飛速發(fā)展，城市內(nèi)車輛數(shù)量及載重水平不斷增加，如何在橋墩受車撞損傷的定量評(píng)估研究中體現(xiàn)車速、車重以及車輛類型等公認(rèn)的對(duì)橋墩損傷有重要影響的因素是需要進(jìn)一步探索的問題。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于橋墩受車撞損傷評(píng)估的研究現(xiàn)狀，將已有的橋墩受車撞損傷評(píng)估方法分為定性評(píng)估與定量評(píng)估兩種，指出裝配式橋墩受車撞損傷評(píng)估及如何在定量評(píng)估中考慮車速、車重、車輛類型等公認(rèn)的影響因素是進(jìn)一步的研究方向。