落石冲击对桥墩破坏作用的研究

□文/李冰

落石冲击对桥墩破坏作用的研究

□文/李冰

为研究落石冲击作用下不同截面形式桥墩的动力响应及破坏规律，采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）构建数值模型，基于能量守恒及沙漏原理检验了数值模型的可靠性。从桥墩混凝土体积损伤率和墩柱位移两个角度研究了不同截面形式桥墩在落石冲击作用下的动力响应及破坏规律，为今后山区桥梁墩柱形式选择提供一定的参考。

落石；碰撞；数值模拟；LS-DYNA；动力响应；破坏规律；冲击；桥墩

目前，地球已经进入地震活跃时期，特别是我国西部山区落石灾害尤为突出，主要交通干线常有石块滚落，桥梁遭受落石碰撞冲击的事故时有发生，严重影响了桥梁的正常使用。汶川地震之后，许多岩体变为危岩体，随时有滑落的危险。因此在设计山区桥梁时需要重点考虑落石的冲击作用。结合已有调查来看，落石冲击对桥墩的侵彻损伤影响明显，由于落石撞击而致使桥梁倒塌的现象是相当严重的［1］。因此，研究桥梁在落石撞击作用下的动力响应以及破坏规律、降低落石撞击桥梁风险以及提高桥梁的抗撞击能力具有非常重要的理论与现实意义。

本文借鉴研究车、船撞击桥梁问题的一些方法和理论，充分考虑落石碰撞与车、船撞击的异同点。基于LS-DYAN有限元分析软件建立了落石撞击桥墩的数值模型，分析了不同截面形式桥墩在落石冲击作用下的动力响应及破坏规律。

1　模型与原理

山区公路桥梁常见桥墩多采用柱式墩和Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最为常用，柱式墩分为圆柱式和方柱（矩形柱）以及椭圆柱。

本文主要选用3种山区桥梁常用墩柱形式，即圆柱式、矩形柱和椭圆柱式墩。不同桥墩采取相同的截面面积、柱高、配筋方式以及混凝土保护层厚度，通过改变落石的初速度方向，从不同方向撞击桥墩，数值模拟不同撞击方向下不同截面形式桥墩的动力响应及损坏情况。3种不同截面形式桥墩模型参数见表1。

表1　三种不同截面形式桥墩数值模型参数

文中钢筋采用beam161单元建模，其本构关系采用随动强化双线性弹塑性模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）；混凝土采用solid164单元，其本构关系采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）；落石简化为刚性体，采用LS-DYNA中的刚性材料（*MAT_RIGID）来模拟；钢筋与混凝土采用欧拉-拉格朗日流固耦合算法，在LS-DYNA软件中用关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN SOLID将两者耦合在一起，不考虑钢筋与混凝土间的滑移。各材料参数见表2。

表2　材料参数

2　LS-DYNA程序可靠性

基于LS-DYAN有限元软件模拟低速碰撞问题时，能量问题通常是需要引起重视的一个问题，因为能量是否守恒、沙漏能是否得以控制都将直接影响最终计算结果的稳定性。一般来说，需要将沙漏能和滑移能控制在系统总能量的10%以内，如果超过这个限值，那么数值计算结果可能是无效的。由于篇幅限制，仅列出圆柱桥墩在落石冲击作用下系统的能量曲线，见图1。

图1　圆柱桥墩碰撞能量时程

由图1可以看出，碰撞过程中系统的总能量基本守恒，落石动能的99%以上转换为钢筋混凝土的内能、动能、沙漏能、滑移能以及删除混凝土单元的动能和内能，在碰撞过程中沙漏能和滑移能均得到很好控制，沙漏能峰值达到系统总能量的4.37%＜10%；滑移能峰值达到系统总能量的2.46%＜10%，因此本文的数值模拟计算基本是可靠的［2］。

3　不同截面形式桥墩碰撞结果分析

桥墩在落石的撞击作用下，将会发生不同程度的损坏，碰撞局部混凝土因受到较大冲击作用而发生受压破坏，随着桥墩保护层混凝土的失效，落石将继续与钢筋以及核心区混凝土接触，如果落石的冲击动能较大，钢筋也会发生明显的屈服现象。落石与桥墩碰撞的数值模拟结果见图2-图3。

图2　落石与桥墩混凝土接触

图3　碰撞区钢筋应力

3.1桥墩与落石的接触力对比

在低速碰撞过程中，冲击荷载的峰值与持时是影响结构破坏模式的重要因素［3］。不同截面形式桥墩在落石碰撞作用下，接触力峰值与持时随碰撞方向截面刚度大小改变而变化，见图4和表3。

图4　接触力（合力）对比

表3　接触力对比kN

由图4可以明显的看到，每条接触力曲线都有两个明显的波峰，即B、D两点。曲线AB段，落石与桥墩保护层接触并且引起保护层混凝土受压破坏，曲线CD段，由于接触区域保护层混凝土达到失效阈值而被删除，落石开始与由钢筋和核心区混凝土组成的共同体接触，由于混凝土保护层消耗落石的动能较小，钢筋与核心区混凝土组成的共同体将承担落石大部分的冲击能量。又由于钢筋对混凝土的加强作用，这部分单元相对于保护层混凝土单元具有更高的强度，因此CD段的接触力比AB段的接触力更大。

由于本文设置了混凝土单元的失效阈值，当混凝土单元达到应变阈值时，即被删除而不继续参与结构受力，因此接触力合力不因截面刚度的增大而增大，反而因为截面刚度的提高，桥墩在碰撞方向的位移越小，因此混凝土单元更快达到失效阈值，随着保护层混凝土单元的失效删除，接触力反而有减小的趋势（BC段曲线）。

具体来看，工况2由于其被撞方向刚度比工况1稍大，碰撞方向位移较小，因此接触力峰值出现在工况1的左侧且峰值（2 053 kN）稍大于工况1（1 471 kN），随着混凝土的失效删除，接触力迅速降低，维持在一个较低水平，直至最后降低为0，持时大于工况1。

工况3被撞方向刚度小于工况1，碰撞方向位移大于工况1，因此接触力峰值出现在工况1的右侧且峰值（1 957 kN）稍大于工况1。接触力随着混凝土单元的失效删除而降低，持时小于工况1。

工况4被撞方向刚度大于工况1，但是混凝土单元因失效删除较为严重，因此在一定程度上减小了桥墩与落石的接触力。整个碰撞过程中接触力维持在一个相对较低的水平，接触力峰值为530 kN，持时大于工况1。

工况5刚度小于工况1，碰撞方向桥墩位移较大，因此接触力峰值（1 392 kN）要略小于工况1，整个碰撞过程中接触力处于一个较高水平，持时与工况1相近。

3.2桥墩在落石撞击下的位移对比

桥墩在落石撞击作用下，撞击区混凝土发生破坏、钢筋出现屈服，桥墩整体产生振动，其振幅大小与接触力历程关系密切。工况1～工况5桥墩在落石撞击作用下位移时程见图5。

图5　桥墩碰撞方向位移时程

由图5可以看到，在落石与桥墩接触的时间域内，由于接触力的大小随混凝土的失效删除而变化，桥墩的加速度也随之变化，桥墩的位移变化规律与前文分析的接触力变化规律基本一致；随着落石脱离与桥墩之间的接触，桥墩在先前撞击作用下，将产生小振幅的震荡，碰撞方向的振幅整体上呈现刚度越小，振幅越大的趋势，亦即工况5＞工况3＞工况1＞工况2＞工况4。桥墩在落石撞击后的频率和振幅见表4。

3.3混凝土单元删除体积对比

桥墩混凝土在落石撞击作用下将产生明显的损伤破坏，混凝土单元的失效体积比可以直观反应桥墩在落石撞击作用下的损伤程度。工况1～工况5桥墩混凝土单元删除体积比见图6。

图6　混凝土删除体积对比

由图6可以看到，工况2和工况4撞击区混凝土单元删除体积较大，分别为6.38‰和3.76‰。分析原因是因为这两个方向的截面刚度大，碰撞方向位移小，因此落石的动能更多的由混凝土和钢筋的变形来承担。进而造成混凝土单元受压破坏严重，体积删除更多。

4　结论

1）在落石形状和初动能相同的情况下，桥墩截面刚度成为影响接触力峰值和持时、桥墩位移、失效混凝土体积的重要因素。桥墩截面刚度越大，桥墩碰撞区混凝土更容易发生受压破坏，桥墩受损严重。

2）圆柱形桥墩由于具有各向同性，在落石碰撞过程中墩柱位移适中、混凝土删除体积较小，因此在山区桥梁建设中应优先考虑。

［1］西南交通大学土木工程学院.西部山区桥梁墩柱落石撞击调查分析报告［R］.成都，2011.

［2］孟一.冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的试验及数值模拟研究［D］.长沙：湖南大学，2012.

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

［4］余志祥，许浒，吕蕾，等.落石冲击对山区桥梁墩柱破坏的影响［J］.四川大学学报：工程科学版，2012，，（6）：86-91.

U443.22

C

1008-3197（2016）02-65-03

2015-12-07

李冰/男，1989年出生，天津市市政工程设计研究院，从事道桥工程设计工作。

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