落石沖擊對(duì)橋墩破壞作用的研究

□文/李冰

落石沖擊對(duì)橋墩破壞作用的研究

□文/李冰

為研究落石沖擊作用下不同截面形式橋墩的動(dòng)力響應(yīng)及破壞規(guī)律，采用混凝土連續(xù)面蓋帽模型（CSCM）構(gòu)建數(shù)值模型，基于能量守恒及沙漏原理檢驗(yàn)了數(shù)值模型的可靠性。從橋墩混凝土體積損傷率和墩柱位移兩個(gè)角度研究了不同截面形式橋墩在落石沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)及破壞規(guī)律，為今后山區(qū)橋梁墩柱形式選擇提供一定的參考。

落石；碰撞；數(shù)值模擬；LS-DYNA；動(dòng)力響應(yīng)；破壞規(guī)律；沖擊；橋墩

目前，地球已經(jīng)進(jìn)入地震活躍時(shí)期，特別是我國西部山區(qū)落石災(zāi)害尤為突出，主要交通干線常有石塊滾落，橋梁遭受落石碰撞沖擊的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了橋梁的正常使用。汶川地震之后，許多巖體變?yōu)槲r體，隨時(shí)有滑落的危險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)山區(qū)橋梁時(shí)需要重點(diǎn)考慮落石的沖擊作用。結(jié)合已有調(diào)查來看，落石沖擊對(duì)橋墩的侵徹?fù)p傷影響明顯，由于落石撞擊而致使橋梁倒塌的現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)重的［1］。因此，研究橋梁在落石撞擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)以及破壞規(guī)律、降低落石撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)以及提高橋梁的抗撞擊能力具有非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

本文借鑒研究車、船撞擊橋梁問題的一些方法和理論，充分考慮落石碰撞與車、船撞擊的異同點(diǎn)。基于LS-DYAN有限元分析軟件建立了落石撞擊橋墩的數(shù)值模型，分析了不同截面形式橋墩在落石沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)及破壞規(guī)律。

1　模型與原理

山區(qū)公路橋梁常見橋墩多采用柱式墩和Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最為常用，柱式墩分為圓柱式和方柱（矩形柱）以及橢圓柱。

本文主要選用3種山區(qū)橋梁常用墩柱形式，即圓柱式、矩形柱和橢圓柱式墩。不同橋墩采取相同的截面面積、柱高、配筋方式以及混凝土保護(hù)層厚度，通過改變落石的初速度方向，從不同方向撞擊橋墩，數(shù)值模擬不同撞擊方向下不同截面形式橋墩的動(dòng)力響應(yīng)及損壞情況。3種不同截面形式橋墩模型參數(shù)見表1。

表1　三種不同截面形式橋墩數(shù)值模型參數(shù)

文中鋼筋采用beam161單元建模，其本構(gòu)關(guān)系采用隨動(dòng)強(qiáng)化雙線性彈塑性模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）；混凝土采用solid164單元，其本構(gòu)關(guān)系采用混凝土連續(xù)面蓋帽模型（CSCM）；落石簡化為剛性體，采用LS-DYNA中的剛性材料（*MAT_RIGID）來模擬；鋼筋與混凝土采用歐拉-拉格朗日流固耦合算法，在LS-DYNA軟件中用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN SOLID將兩者耦合在一起，不考慮鋼筋與混凝土間的滑移。各材料參數(shù)見表2。

表2　材料參數(shù)

2　LS-DYNA程序可靠性

基于LS-DYAN有限元軟件模擬低速碰撞問題時(shí)，能量問題通常是需要引起重視的一個(gè)問題，因?yàn)槟芰渴欠袷睾恪⑸陈┠苁欠竦靡钥刂贫紝⒅苯佑绊懽罱K計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。一般來說，需要將沙漏能和滑移能控制在系統(tǒng)總能量的10%以內(nèi)，如果超過這個(gè)限值，那么數(shù)值計(jì)算結(jié)果可能是無效的。由于篇幅限制，僅列出圓柱橋墩在落石沖擊作用下系統(tǒng)的能量曲線，見圖1。

圖1　圓柱橋墩碰撞能量時(shí)程

由圖1可以看出，碰撞過程中系統(tǒng)的總能量基本守恒，落石動(dòng)能的99%以上轉(zhuǎn)換為鋼筋混凝土的內(nèi)能、動(dòng)能、沙漏能、滑移能以及刪除混凝土單元的動(dòng)能和內(nèi)能，在碰撞過程中沙漏能和滑移能均得到很好控制，沙漏能峰值達(dá)到系統(tǒng)總能量的4.37%＜10%；滑移能峰值達(dá)到系統(tǒng)總能量的2.46%＜10%，因此本文的數(shù)值模擬計(jì)算基本是可靠的［2］。

3　不同截面形式橋墩碰撞結(jié)果分析

橋墩在落石的撞擊作用下，將會(huì)發(fā)生不同程度的損壞，碰撞局部混凝土因受到較大沖擊作用而發(fā)生受壓破壞，隨著橋墩保護(hù)層混凝土的失效，落石將繼續(xù)與鋼筋以及核心區(qū)混凝土接觸，如果落石的沖擊動(dòng)能較大，鋼筋也會(huì)發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象。落石與橋墩碰撞的數(shù)值模擬結(jié)果見圖2-圖3。

圖2　落石與橋墩混凝土接觸

圖3　碰撞區(qū)鋼筋應(yīng)力

3.1橋墩與落石的接觸力對(duì)比

在低速碰撞過程中，沖擊荷載的峰值與持時(shí)是影響結(jié)構(gòu)破壞模式的重要因素［3］。不同截面形式橋墩在落石碰撞作用下，接觸力峰值與持時(shí)隨碰撞方向截面剛度大小改變而變化，見圖4和表3。

圖4　接觸力（合力）對(duì)比

表3　接觸力對(duì)比kN

由圖4可以明顯的看到，每條接觸力曲線都有兩個(gè)明顯的波峰，即B、D兩點(diǎn)。曲線AB段，落石與橋墩保護(hù)層接觸并且引起保護(hù)層混凝土受壓破壞，曲線CD段，由于接觸區(qū)域保護(hù)層混凝土達(dá)到失效閾值而被刪除，落石開始與由鋼筋和核心區(qū)混凝土組成的共同體接觸，由于混凝土保護(hù)層消耗落石的動(dòng)能較小，鋼筋與核心區(qū)混凝土組成的共同體將承擔(dān)落石大部分的沖擊能量。又由于鋼筋對(duì)混凝土的加強(qiáng)作用，這部分單元相對(duì)于保護(hù)層混凝土單元具有更高的強(qiáng)度，因此CD段的接觸力比AB段的接觸力更大。

由于本文設(shè)置了混凝土單元的失效閾值，當(dāng)混凝土單元達(dá)到應(yīng)變閾值時(shí)，即被刪除而不繼續(xù)參與結(jié)構(gòu)受力，因此接觸力合力不因截面剛度的增大而增大，反而因?yàn)榻孛鎰偠鹊奶岣撸瑯蚨赵谂鲎卜较虻奈灰圃叫?，因此混凝土單元更快達(dá)到失效閾值，隨著保護(hù)層混凝土單元的失效刪除，接觸力反而有減小的趨勢(shì)（BC段曲線）。

具體來看，工況2由于其被撞方向剛度比工況1稍大，碰撞方向位移較小，因此接觸力峰值出現(xiàn)在工況1的左側(cè)且峰值（2 053 kN）稍大于工況1（1 471 kN），隨著混凝土的失效刪除，接觸力迅速降低，維持在一個(gè)較低水平，直至最后降低為0，持時(shí)大于工況1。

工況3被撞方向剛度小于工況1，碰撞方向位移大于工況1，因此接觸力峰值出現(xiàn)在工況1的右側(cè)且峰值（1 957 kN）稍大于工況1。接觸力隨著混凝土單元的失效刪除而降低，持時(shí)小于工況1。

工況4被撞方向剛度大于工況1，但是混凝土單元因失效刪除較為嚴(yán)重，因此在一定程度上減小了橋墩與落石的接觸力。整個(gè)碰撞過程中接觸力維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，接觸力峰值為530 kN，持時(shí)大于工況1。

工況5剛度小于工況1，碰撞方向橋墩位移較大，因此接觸力峰值（1 392 kN）要略小于工況1，整個(gè)碰撞過程中接觸力處于一個(gè)較高水平，持時(shí)與工況1相近。

3.2橋墩在落石撞擊下的位移對(duì)比

橋墩在落石撞擊作用下，撞擊區(qū)混凝土發(fā)生破壞、鋼筋出現(xiàn)屈服，橋墩整體產(chǎn)生振動(dòng)，其振幅大小與接觸力歷程關(guān)系密切。工況1～工況5橋墩在落石撞擊作用下位移時(shí)程見圖5。

圖5　橋墩碰撞方向位移時(shí)程

由圖5可以看到，在落石與橋墩接觸的時(shí)間域內(nèi)，由于接觸力的大小隨混凝土的失效刪除而變化，橋墩的加速度也隨之變化，橋墩的位移變化規(guī)律與前文分析的接觸力變化規(guī)律基本一致；隨著落石脫離與橋墩之間的接觸，橋墩在先前撞擊作用下，將產(chǎn)生小振幅的震蕩，碰撞方向的振幅整體上呈現(xiàn)剛度越小，振幅越大的趨勢(shì)，亦即工況5＞工況3＞工況1＞工況2＞工況4。橋墩在落石撞擊后的頻率和振幅見表4。

3.3混凝土單元?jiǎng)h除體積對(duì)比

橋墩混凝土在落石撞擊作用下將產(chǎn)生明顯的損傷破壞，混凝土單元的失效體積比可以直觀反應(yīng)橋墩在落石撞擊作用下的損傷程度。工況1～工況5橋墩混凝土單元?jiǎng)h除體積比見圖6。

圖6　混凝土刪除體積對(duì)比

由圖6可以看到，工況2和工況4撞擊區(qū)混凝土單元?jiǎng)h除體積較大，分別為6.38‰和3.76‰。分析原因是因?yàn)檫@兩個(gè)方向的截面剛度大，碰撞方向位移小，因此落石的動(dòng)能更多的由混凝土和鋼筋的變形來承擔(dān)。進(jìn)而造成混凝土單元受壓破壞嚴(yán)重，體積刪除更多。

4　結(jié)論

1）在落石形狀和初動(dòng)能相同的情況下，橋墩截面剛度成為影響接觸力峰值和持時(shí)、橋墩位移、失效混凝土體積的重要因素。橋墩截面剛度越大，橋墩碰撞區(qū)混凝土更容易發(fā)生受壓破壞，橋墩受損嚴(yán)重。

2）圓柱形橋墩由于具有各向同性，在落石碰撞過程中墩柱位移適中、混凝土刪除體積較小，因此在山區(qū)橋梁建設(shè)中應(yīng)優(yōu)先考慮。

［1］西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院.西部山區(qū)橋梁墩柱落石撞擊調(diào)查分析報(bào)告［R］.成都，2011.

［2］孟一.沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2012.

［3］Murray Y D.Users Manual for LS-DYNA Concrete Material Model 159.May2007.

［4］余志祥，許滸，呂蕾，等.落石沖擊對(duì)山區(qū)橋梁墩柱破壞的影響［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2012，，（6）：86-91.

U443.22

C

1008-3197（2016）02-65-03

2015-12-07

李冰/男，1989年出生，天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，從事道橋工程設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.022