钢筋混凝土桥墩抗车辆撞击机理研究

钢筋混凝土桥墩抗车辆撞击机理研究统计分析表明,车辆撞击已成为世界范围内桥梁破坏的重要原因之一。公路和城市桥梁交通量大,环境复杂,车辆撞击威胁尤为明显。桥墩作为桥梁的主要竖向承重构件,在车辆撞击桥梁事故中,一旦发生撞击损伤或破坏,将可能引发桥梁的整体坍塌,造成非常严重的生命财产损失。钢筋混凝土(RC)桥墩是公路和城市桥梁最常用的桥墩结构形式，对其车辆撞击问题进行深入研究具有重要的工程价值和理论意义。本文采用缩比模型试验、数值模拟和理论模型相结合的方法，对RC桥墩抗车辆撞击机理进行了深入研究，主要创新性工作如下:(1)考虑轴力和车头压溃等因素的影响，开展了车辆撞击单柱式RC桥墩的缩比模型试验。设计了模拟车头压溃行为的薄壁钢管缓冲器，采用水平撞击方式进行侧向柔性撞击加载，得到了有轴力RC柱在弹性撞击和损伤撞击下的动态响应过程和变形损伤模式;首次开展了撞击受损RC柱的二次撞击试验，结果表明:撞击受损RC柱在二次撞击作用下的响应过程和变形损伤模式与完好试件基本一致;在首次撞击弯曲损伤程度不大的情况下,RC柱具有较好的抗二次撞击性能。(2)深入系统地研究了有轴力RC柱在侧向柔性撞击作用下的动态响应及其主要影响因素，揭示了其破坏机理和耗能机制，提出了撞击破坏模式的判别方法。a)弯曲破坏和剪切破坏是有轴力RC柱在侧向柔性撞击作用下的两种主要破坏模式;按静载弯曲破坏设计的RC柱在撞击荷载下可能转变为剪切破坏，惯性效应和应变率效应是破坏模式发生转变的主要原因。b)撞击荷载下有轴力RC柱的弯曲破坏以柱底塑性铰区的受拉纵向钢筋屈服和受压区混凝土压缩破坏为重要标志，破坏过程可分为准弹性阶段、带裂缝工作阶段、屈服阶段和破坏阶段;撞击荷载下的弯曲破坏机理与静载条件下基本相同,均为受拉纵向钢筋屈服之后的受压区混凝土压缩破坏;撞击荷载下的RC柱抗弯承载力高于静载情况，并可采用柱底截面最大弯矩作为RC柱在撞击荷载下的抗弯承载力评价指标;撞击荷载下的抗弯承载力和撞击力峰值随纵筋配筋率和轴力的增加而增大，但箍筋配筋率对RC柱动力响应的影响较小。c）撞击荷载下有轴力RC柱的剪切破坏过程可分为塑性铰形成阶段、斜裂缝发展阶段、箍筋屈服阶段和破坏阶段;撞击荷载下的剪切破坏机理为柱底塑性铰形成之后的斜裂缝扩展和箍筋断裂，与静载情况有明显区别;撞击荷载下的RC柱抗剪承载力比静载情况大幅提高,可采用撞击点截面的最大剪力作为RC柱在撞击荷载下的抗剪承载力评价指标。d）撞击物变形耗能是RC柱侧向柔性撞击的主要耗能机制;对于弯曲破坏模式,塑性铰区的受拉纵筋应变耗能和混凝土压缩应变耗能是RC柱自身的主要耗能机制;在剪切破坏模式下,RC柱的自身耗能能力十分有限。e）基于数值模拟结果和理想刚塑性模型，提出了RC柱在撞击荷载下的抗力计算方法,建立了RC柱撞击破坏模式判别方法,计算结果与试验及数值模拟吻合较好。（3）采用数值模拟和理论分析方法对卡车撞击双柱式RC桥墩进行了深入研究，分析了卡车破坏特征和双柱式RC桥墩的动态响应;建立了撞击力计算模型和桥墩弹性响应计算模型,研究了桩周地基土剪切波速、轴力、桩径和桩长对桥墩弹性撞击响应的影响。a）卡车破坏为渐进式压溃，其变形刚度远小于RC柱，进行撞击力分析时,可将桥梁墩柱简化为刚性柱;桥墩损伤主要发生在车-桥接触区域撞击点背面和系梁连接部位，系梁与墩柱连接部位应予以加强;撞击方向对撞击力的影响很小，但纵桥向撞击下的桥墩变形明显大于横桥向撞击。b）基于刚性柱假定，考虑卡车车身构造特点，建立了撞击力计算模型,通过与数值模拟结果比较表明，本文模型能较好地反映撞击力的主要特征量。C）基于Euler-Bernoulli梁理论和Winkler地基模型，建立了考虑地基土、轴力和相邻墩柱影响的桥墩弹性响应计