SRP加固預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩在車輛撞擊下的動態(tài)響應(yīng)

李清華 張于曄

摘要： 為了減輕車輛對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的撞擊作用，采用高強(qiáng)鋼絲織物復(fù)合材料（Steel Reinforced Polymer， SRP）加固預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩并進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。使用LS?DYNA建立預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩受沖擊的數(shù)值模型，并與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。在相同車輛撞擊條件下，對比分析了RC墩與SRP加固墩撞擊力時(shí)程曲線、側(cè)向位移和墩身損壞情況。以SRP加固位置、SRP包裹層數(shù)和初始預(yù)應(yīng)力水平為變量，研究其對車輛?橋墩接觸面撞擊力和橋墩變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：采用SRP對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行合理加固，可以有效減小接觸面撞擊力、墩身位移和橋墩損傷;在橋墩底部及接縫處采用SRP加固對墩身具有更好的保護(hù)作用;SRP包裹層數(shù)由1層增加到3層可以更好地限制墩身位移變形。

關(guān)鍵詞： 預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩; 車輛撞擊; 動態(tài)響應(yīng); 高強(qiáng)鋼絲織物復(fù)合材料

中圖分類號： U443.22; U441+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-4523（2021）05-0959-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.05.009

引 言

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，車輛撞擊橋墩事故的發(fā)生概率逐年上升。車橋碰撞事故不僅對人員安全造成巨大威脅，還會引發(fā)交通癱瘓，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。同時(shí)，預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩因其突出的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。與現(xiàn)澆橋墩相比，預(yù)制裝配式橋墩有著構(gòu)建質(zhì)量可控、施工效率高、建設(shè)工期短等優(yōu)勢，但在受到車輛撞擊時(shí)，其動態(tài)響應(yīng)與現(xiàn)澆橋墩會有較大的區(qū)別：預(yù)制裝配式橋墩受撞后將產(chǎn)生節(jié)段間滑移變形和較大的撓度。因此，對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩抗車輛撞擊性能的研究顯得尤為重要。

已有許多關(guān)于不同結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的動態(tài)響應(yīng)問題的研究。丁北斗等[2]對單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分析了沖擊力、位移、加速度等時(shí)程曲線并確定其穩(wěn)定承載力;王延斌等[3]采用雙剪應(yīng)力強(qiáng)度理論，求解了簡支圓板在沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)問題。而針對預(yù)制節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)的橋墩在沖擊荷載作用下動態(tài)響應(yīng)的相關(guān)研究則非常有限。Zhang等[4]通過擺錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)對設(shè)計(jì)的預(yù)制節(jié)段柱進(jìn)行側(cè)向沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)段間會出現(xiàn)較嚴(yán)重的剪切滑移變形;Do等[5]對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩受車輛撞擊的狀況建立仿真模型并進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)受撞擊的橋墩會出現(xiàn)嚴(yán)重的位移變形和塑性鉸區(qū)域混凝土損傷。因此對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行合理的防撞擊加固是必要的。

目前已提出了多種橋墩防撞擊措施。張于曄等[6]使用泡沫鋁對橋墩進(jìn)行了外包裹加固，分析了其抗車輛撞擊的效果;Fan等[7]對車輛撞擊下高性能纖維混凝土加固的橋墩進(jìn)行了性能及參數(shù)敏感性研究;鄭植等[8]設(shè)計(jì)了FRP復(fù)合材料防撞套箱，與橋墩采用了蝴蝶型連接結(jié)構(gòu)，研究其可靠性能。但是這些加固措施都以整體現(xiàn)澆橋墩為研究對象，其加固方法對于節(jié)段拼裝橋墩不一定適用。為了提高預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩在側(cè)向沖擊下的抗剪性能，Zhang等[9]設(shè)置了梯形棱柱剪力鍵，由于應(yīng)力集中，觀察到更嚴(yán)重的混凝土破碎現(xiàn)象，其后改進(jìn)的拱形剪力鍵對混凝土破壞較小;Zhang等[10]采用FRP對拱形剪力鍵的節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行包裹，證明FRP加固可以有效提高混凝土的強(qiáng)度，減小橋墩的變形和損傷。然而，對橋墩拱形剪力鍵的設(shè)置，每個(gè)橋墩節(jié)段采用全包裹的加固方式和FRP本身偏貴的成本都會給該方法的推廣造成困難。

高強(qiáng)鋼絲織物復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)鋼絲編織而成的結(jié)構(gòu)受力增強(qiáng)材料，其鋼絲織網(wǎng)是由縱向高強(qiáng)度鋼絲扭成的鋼繩與橫向普通鋼絲相互交織構(gòu)成的。在加固混凝土結(jié)構(gòu)方面，SRP具有資源充足、成本低、抗剪切性能好等優(yōu)勢[11]。Ascione等[12]通過試驗(yàn)研究表明，SRP材料沿不同方向的強(qiáng)度具有較好的均勻性，而且SRP加固的結(jié)構(gòu)在破壞時(shí)可以表現(xiàn)出更高的韌性和能量耗散。因此推測SRP在限制預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩在車輛撞擊作用下的位移變形方面具有很強(qiáng)的適用性。王向陽等[13]的研究也表明SRP加固可以有效減小爆炸沖擊荷載對橋墩的破壞作用。然而，采用SRP加固節(jié)段拼裝橋墩的方法尚未被提出，對撞擊力、位移等動態(tài)響應(yīng)的影響也尚不明確。

鑒于此，本文采用SRP對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行合理加固，研究其受到車輛撞擊時(shí)的動態(tài)響應(yīng)。本文首先建立了車輛撞擊橋墩的數(shù)值模型，并對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩和SRP的建模方法進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證。然后采用SRP對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行了底部和接縫處的加固，并與未加固的橋墩進(jìn)行相同車輛撞擊條件下的撞擊力時(shí)程曲線、位移?高度曲線及墩身應(yīng)力分布和損傷情況的對比，以具體研究SRP加固預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的抗車輛撞擊效果。最后以SRP加固區(qū)域，SRP包裹層數(shù)和初始預(yù)應(yīng)力水平為研究變量，進(jìn)一步探究其對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩受車輛撞擊時(shí)動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型及驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本研究中數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，選用Zhang等[4]的擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，使用LS?DYNA建立與實(shí)驗(yàn)條件相同的三維實(shí)體數(shù)值模型，通過對比撞擊力時(shí)程曲線，側(cè)向位移時(shí)程曲線，墩身形態(tài)和損傷情況進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)建立SRP的數(shù)值模型，并與經(jīng)銷商公布的SRP應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)行對比，以此驗(yàn)證SRP材料數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

1.1 參照實(shí)驗(yàn)

Zhang等[4]的擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)測試橋墩為五節(jié)段橋墩，每個(gè)節(jié)段高160 mm，橋墩橫截面尺寸為100 mm×100 mm，中間留有直徑為15 mm的預(yù)應(yīng)力筋孔，基礎(chǔ)承臺的尺寸為400 mm×400 mm×140 mm，橋墩頂部是混凝土塊和五片鐵制法蘭盤，共提供288 kg的恒載重量。橋墩每個(gè)節(jié)段都有直徑為4 mm的縱向鋼筋和橫向鋼筋構(gòu)成的獨(dú)立鋼筋籠，同時(shí)由七股鋼絞線組成的直徑約9.3 mm的預(yù)應(yīng)力筋底端錨固于基礎(chǔ)，穿過預(yù)應(yīng)力筋孔通過后張拉方式對墩身施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力大小約為30 kN。沖擊測試系統(tǒng)是由固定框架裝置，擺臂及鋼沖擊塊組成的，沖擊塊的質(zhì)量為300 kg。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整擺臂的幅度大小來調(diào)節(jié)沖擊的初始速度，然后釋放出沖擊塊撞擊橋墩中心。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。

1.2 數(shù)值分析模型

基于擺錘沖擊試驗(yàn)使用LS?DYNA建立同比例三維實(shí)體數(shù)值模型。連續(xù)帽蓋模型[14]（*MAT_CSCM）在模擬中可以充分考慮混凝土在受到?jīng)_擊時(shí)的應(yīng)變率效應(yīng)、損傷效應(yīng)、應(yīng)變強(qiáng)化及軟化作用的影響，被用以模擬預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩墩身混凝土部分，其中混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為34 MPa。對于鋼筋則使用考慮應(yīng)變率效應(yīng)、塑性變形對屈服應(yīng)力影響的分段線性塑性模型[14]（*MAT_PICEWISE_LINEAR_PLASTICIAY）。在仿真模型中鋼筋與混凝土以共節(jié)點(diǎn)的方式共同作用，同時(shí)分別對混凝土和鋼筋定義侵蝕失效關(guān)鍵字（*MAT_ADD_EROSION）以使破損混凝土和失效鋼筋退出計(jì)算。鋼筋與混凝土材料主要參數(shù)如表1所示。

預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩節(jié)段與節(jié)段之間的連接主要是通過預(yù)應(yīng)力筋提供的預(yù)應(yīng)力來達(dá)到，仿真中一般采用溫降法[15]來模擬后張預(yù)應(yīng)力的施加。溫降法的原理是利用預(yù)應(yīng)力筋材料熱脹冷縮的特性，定義溫度曲線使溫度在極短的時(shí)間內(nèi)瞬間降低，從而使預(yù)應(yīng)力筋收縮帶動錨固端擠壓墩身，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力擠壓效果。預(yù)應(yīng)力的大小和溫差的關(guān)系遵循以下公式[15]

式中 ΔT代表溫差大小;f代表預(yù)應(yīng)力大小;代表預(yù)應(yīng)力筋的熱膨脹系數(shù);Ac和As分別代表墩身混凝土截面面積和鋼筋截面面積;Ec和Es分別代表混凝土和鋼筋的彈性模量。預(yù)應(yīng)力筋材料參數(shù)[5]如表2所示。

本文選用市場上存在的一種SRP（型號為3×2?B12）進(jìn)行建模驗(yàn)證。如圖2[16]所示，這種SRP每英尺包含12根鋼繩，每根鋼繩包含3根直鋼絲和2條纏繞鋼絲，每根鋼繩有效截面面積為0.481 mm2，每層SRP帶等效厚度為0.227 mm[17]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，先對所需加固的混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行清潔干燥處理，然后在構(gòu)件表面涂抹環(huán)氧樹脂或者粘鋼膠等粘結(jié)材料，將SRP粘接在混凝土構(gòu)件表面，最后再次涂抹一層環(huán)氧樹脂作保護(hù)作用。已有的SRP與混凝土基底粘接性能試驗(yàn)研究[12]表明，SRP與混凝土脫粘時(shí)所需應(yīng)力與SRP被拉斷時(shí)的應(yīng)力幾乎相同，因此在仿真中選用塑性隨動模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），并采用共節(jié)點(diǎn)的方法使其與墩身混凝土共同作用。SRP材料的主要力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

為了能夠有效提取撞擊力等信息，模型中的接觸采用面面自動接觸（ASTS），依據(jù)文獻(xiàn)[5]取節(jié)段間混凝土靜摩擦系數(shù)為0.6，鐵撞擊塊與混凝土橋墩靜摩擦系數(shù)為0.3。約束承臺底部所有自由度，以模擬實(shí)驗(yàn)中對承臺的錨固約束作用?？紤]橋墩自重作用，撞擊塊以橫向1.37 m/s的初速度對墩身中間節(jié)段進(jìn)行沖擊。

1.3 模型驗(yàn)證

1.3.1 橋墩模型驗(yàn)證

圖3為實(shí)驗(yàn)與仿真的撞擊力時(shí)程曲線對比。在1.37 m/s初速度的撞擊塊沖擊下，實(shí)驗(yàn)與仿真中的撞擊力都迅速達(dá)到最大峰值，其后因?yàn)楣?jié)段自振和墩身的總體振動作用都呈現(xiàn)出多個(gè)較小峰值。因?yàn)榉抡嬷袥]有考慮懸臂對擺錘的約束作用，在撞擊力峰值出現(xiàn)時(shí)間上表現(xiàn)出略微滯后的現(xiàn)象，峰值數(shù)目上也與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在略微差異。而在最關(guān)鍵的撞擊力最大峰值上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為20.9 kN，仿真數(shù)據(jù)為19.3 kN，誤差為7%;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的撞擊力持續(xù)時(shí)間為90 ms，仿真數(shù)據(jù)為86 ms，誤差為4%。由此可知仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果是相近的。

圖4為實(shí)驗(yàn)與仿真的橋墩受撞擊位置處的側(cè)向位移時(shí)程曲線對比圖?？梢钥吹椒抡嬷袀?cè)向位移時(shí)程曲線與參照實(shí)驗(yàn)的側(cè)向位移總體變化趨勢幾乎相同。雖然仿真中第一段峰值撞擊力持續(xù)時(shí)間更長導(dǎo)致了更久的最大側(cè)向位移持續(xù)時(shí)間，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)中最大側(cè)向位移都在32.5 mm左右，側(cè)向位移變形的數(shù)據(jù)擬合較好。

圖5為45 ms時(shí)刻墩身形態(tài)與損傷情況對比圖?？梢钥吹剑矒魤K接觸橋墩45 ms時(shí)刻橋墩受撞擊節(jié)段與上部相鄰節(jié)段出現(xiàn)了張合，底部節(jié)段也出現(xiàn)了張合，墩身整體呈現(xiàn)一定的撓度，仿真模型與實(shí)驗(yàn)的墩身形態(tài)表現(xiàn)完全相同。仿真與實(shí)驗(yàn)中橋墩的損傷區(qū)域都出現(xiàn)在受撞擊節(jié)段迎撞面和底部節(jié)段塑性鉸區(qū)域，破壞形態(tài)都表現(xiàn)為混凝土的受壓損壞。其中，受撞擊節(jié)段的損傷較為明顯，這是因?yàn)樽矒糇饔脤?dǎo)致該節(jié)段與上部節(jié)段出現(xiàn)張合，迎撞面混凝土受壓嚴(yán)重產(chǎn)生了損傷?？梢哉f明，仿真模型可以對混凝土的損傷位置和破壞形態(tài)有較準(zhǔn)確的預(yù)測。

通過對仿真與實(shí)驗(yàn)中撞擊力、側(cè)向位移變形和墩身形態(tài)與損傷情況的對比分析，可知本研究中的橋墩撞擊模型具有較高的精度，采用的數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確可靠，可以滿足橋墩動態(tài)響應(yīng)分析的需求。

1.3.2 SRP材料模型驗(yàn)證

Annalisa等[16]為了研究SRP材料的機(jī)械性能，采用配有液壓機(jī)構(gòu)的材料試驗(yàn)系統(tǒng)對多種型號的SRP材料進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)，得到SRP材料的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線?；诖藢?shí)驗(yàn)，本文對型號為3×2?B12的SRP材料進(jìn)行相同工況的建模，設(shè)置與實(shí)驗(yàn)中相同的SRP材料參數(shù)以保證其力學(xué)性能的準(zhǔn)確性，并對計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證SRP材料模型的合理性。對比結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看到，仿真計(jì)算得到的應(yīng)力?應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，仿真中SRP最大屈服應(yīng)力為2950 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3050 MPa，誤差約為3.2%，說明SRP材料的數(shù)值模型可以滿足計(jì)算的精度需求。

2 橋墩動態(tài)響應(yīng)分析

2.1 車輛撞擊模型

基于數(shù)值模型驗(yàn)證中使用的材料本構(gòu)、預(yù)應(yīng)力施加方法、接觸和邊界約束設(shè)置以及恒載施加方式，建立了與預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩及車輛實(shí)際尺寸相同的數(shù)值模型，以更好地接近實(shí)際情況研究SRP的加固效果，其可行性已由使用相同方法的文獻(xiàn)證明[5]。對質(zhì)量為1129 kg的1998 Chevrolet S10皮卡車基于相關(guān)文獻(xiàn)的方法[18]進(jìn)行簡化，并依據(jù)歐美相關(guān)規(guī)范控制撞擊位置及撞擊接觸面面積[19]，具體情況如圖7所示。

3.3 初始預(yù)應(yīng)力水平的影響

初始預(yù)應(yīng)力水平會對撞擊力產(chǎn)生輕微的影響。如圖20所示，初始預(yù)應(yīng)力水平分別為墩身抗壓承載力10%，20%和30%時(shí)撞擊力的持續(xù)時(shí)間和變化趨勢幾乎相同，撞擊力峰值則隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加而略微增大。整體來看，初始預(yù)應(yīng)力水平從10%增加到30%沒有對撞擊力產(chǎn)生明顯影響。

初始預(yù)應(yīng)力水平的變化對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩側(cè)向位移的影響規(guī)律并不明顯。如圖21所示，在相同車輛撞擊條件下不同初始預(yù)應(yīng)力水平所對應(yīng)的的橋墩都呈現(xiàn)出幾乎相似的撓度變形趨勢;由圖22可以看到不同初始預(yù)應(yīng)力水平下受撞擊節(jié)段側(cè)向位移變化趨勢幾乎相同，初始預(yù)應(yīng)力占墩身抗壓承載力20%時(shí)側(cè)向位移表現(xiàn)略大;由圖23可以看到隨著初始預(yù)應(yīng)力水平增加，節(jié)段間最大滑移量有所減小，墩身最大側(cè)移量沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。由此可見，初始預(yù)應(yīng)力水平的增加可以更有效限制橋墩節(jié)段間的剪切滑移變形，但是對墩身側(cè)移變形的影響并不明顯。

通過以上參數(shù)分析可以得知，SRP加固預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的動態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)對與SRP直接相關(guān)的參數(shù)變化十分敏感，同時(shí)也說明SRP在提高預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩抗撞擊性能方面與其他方法有很大的不同。目前存在的大部分橋墩抗撞擊加固方法都著重于撞擊過程中的加固材料的緩沖作用，通過能量耗散以減輕車輛的撞擊，比如泡沫鋁[6]、FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)[8]等，但同時(shí)也無法避免材料成本過高，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜等問題。而SRP對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的加固側(cè)重于提高車輛撞擊下橋墩本身的穩(wěn)定性，通過限制節(jié)段間的剪切滑移和整體撓度變形，減小橋墩的剛度表現(xiàn)和減輕混凝土的損傷，來達(dá)到提升預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩抗撞擊性能的目的。同時(shí)，SRP本身低廉的成本和簡易的加固措施也為該方法的實(shí)際應(yīng)用普及提供了更大的可能性。

4 結(jié)論與展望

本文采用數(shù)值模擬的方法對SRP加固的預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩在車輛撞擊下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）在相同車輛撞擊條件下與無SRP加固的RC橋墩相比，SRP加固墩撞擊力數(shù)值和持續(xù)時(shí)間都明顯減小，墩身最大撓度減小了17.6%，幾乎不存在節(jié)段間的剪切滑移問題，而且沒有出現(xiàn)明顯的混凝土損傷，說明采用SRP對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行合理加固，可以有效減輕車輛對橋墩的撞擊作用。

（2）SRP底部加固可以對車輛撞擊起到一定的緩沖作用，本研究中SRP底部加固撞擊力峰值比SRP接縫處加固減小了54%;SRP接縫處加固則表現(xiàn)出更小的墩身最大側(cè)移和節(jié)段剪切滑移，橋墩的位移響應(yīng)更低;SRP底部和接縫處同時(shí)加固會對墩身具有更好的保護(hù)作用。

（3）SRP包裹層數(shù)由1層增加到3層會使撞擊力峰值增大18.8%，但墩身側(cè)向位移和節(jié)段剪切滑移都跟隨減小，說明SRP包裹層數(shù)的增加可以更好地限制車輛撞擊下的墩身位移變形，但也會使車橋接觸面剛度有所增大。

（4）初始預(yù)應(yīng)力水平由墩身抗壓承載力10%提高至30%對車輛撞擊過程中撞擊力和墩身位移響應(yīng)的影響規(guī)律并不明顯。除了初始預(yù)應(yīng)力水平外，對于橋墩混凝土強(qiáng)度、節(jié)段長細(xì)比等與橋墩直接相關(guān)的參數(shù)變量對SRP加固效果的影響還需進(jìn)一步探討。

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作者簡介： 李清華（1995-），男，碩士研究生。電話：18251956698;E-mail：Mrliqh@163.com

通訊作者： 張于曄（1986-），男，副教授。電話：（025）84315773;E-mail：zyy@njust.edu.cn