不同累积作用方式对钢筋混凝土桥墩撞击性能的影响

周锡武,高御审,张国学,张文超



不同累积作用方式对钢筋混凝土桥墩撞击性能的影响

周锡武,高御审*,张国学,张文超

佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院, 广东 佛山 528000

为研究在相同冲击能量作用下的不同累积作用方式对钢筋混凝土桥墩的冲击性能影响，本文运用多功能超高重型落锤冲击系统，对两组1/5缩尺桥墩模型进行了水平撞击试验，并分析了试件的冲击作用、钢筋应变、试件位移等冲击响应及试件裂缝损伤。结果表明：冲击能量的累积方式对试件冲击作用、钢筋力学性能及侧向位移影响较大；试件的损伤情况不但与当次撞击能量有关，与累积撞击方式也有一定关系。

钢筋混凝土桥墩; 撞击性能; 累积作用方式

随着桥梁建设日趋大跨度化，与此同时船舶也更趋于大型化，航运速度和吨位不断增加，使得船撞桥事故频频发生[1]。展开水平冲击作用下钢筋混凝土桥墩动态响应及损伤性能的研究意义重大。

目前，针对钢筋混凝土结构撞击性能的研究主要有结构的动态响应、破坏模式及损伤等方面。通过相关研究,得到了冲击力、位移、应变时程曲线等结构动态响应及破坏模式[2,3]。一些学者通过试验详细分析了撞击速度、落锤刚度、混凝土强度、配筋率、约束等因素对结构撞击性能的影响机制[4,5]。另外一些学者通过数值模拟方法研究了撞击位置、撞击方式、撞击体质量、接触面积、试件高度、顶部载荷、轴压比、纵筋率和混凝土强度等因素对试验柱的动态响应和损伤破坏的的影响[6,7]。还有一些学者采用试验与模拟相结合的方法研究落锤重量、冲击速度、冲击能量、箍筋间距和边界条件对钢筋混凝土梁柱结构抗冲击行为及破坏模式的影响[8,9]。也有研究表明结构的破坏模式主要与荷载作用时长和峰值有关[10]，得到了单次冲击与累积冲击作用下结构破坏的动力性能[11]。但不同累积撞击方式对钢筋混凝土桥墩撞击性能影响的研究却鲜见报道。

为研究在相同冲击能量作用下的不同累积作用方式对钢筋混凝土桥墩的冲击性能的影响。本文拟采用国内最为先进的落锤冲击试验系统研究不同配筋率的两组桥墩横向冲击下的现象原理。

1 实验设计

1.1 试件

试验制作了4根钢筋混凝土圆形桥墩试件，纵向钢筋16和20 mm的桥墩各2根，截面半径为170 mm，高为2200 mm。箍筋HPB300钢筋（直径8 mm、间距50 mm），纵向钢筋分别为10根直径16或20 mm的HRB400钢筋，纵筋与箍筋通过焊接连接。混凝土采用C40。

1.2 实验

试验中采用落锤冲击试验系统进行实验，Z16-1和Z20-1冲击作用为方案一，Z16-2和Z20-2冲击作用为方案Ⅱ，见表1表2。

表 1 冲击方案I

表 2 冲击方案Ⅱ

试验时，试件由四个预应力螺栓固定在刚性基座上，上端由液压千斤顶施加250 kN的轴向压力，撞击试件中点。试验时，将落锤提升至设计高度开展冲击碰撞试验，采集撞击力、钢筋应变、试件位移等动态响应，撞击力由小车头部的压力传感器测量，钢筋应变计设计在桥墩根部，试件撞击背面自上而下100 mm、800 mm、1500 mm、2100 mm处设计了四个位移计。

2 结果与分析

2.1 冲击作用分析

试件Z16-1-(3)6 m（表示方案一第3次落锤高度为6 m）、Z16-2-6 m(2)（表示方案二第落锤高度为6 m第2次），以及试件Z20-1-(4)8 m、Z20-2-8 m(2)的冲击力时程曲线，如图1所示。

图 1 冲击力时程曲线

Fig.1 Impact time-history curves

由图1可知，试件Z16-1-(3)6 m的冲击力峰值为621.559 kN，Z16-2-6 m(2)的冲击力峰值为510.274 kN，相对变化率为-17.90%；Z20-1-(4)8 m的冲击力峰值为741.463 kN，Z20-2-8 m(2)的冲击力峰值为703.353 kN，相对变化率为-5.14%。通过分析发现，方案二撞击作用下试件的冲击力相对较小，主要因为方案二撞击作用下试件的损伤程度相对较大。从而说明，对于两组当次冲击能量相等组，累积冲击能量近似相同试件，冲击能量的累积方式对试件作用影响较大。

2.2 钢筋应变分析

现以试件撞击背面根部钢筋为例进行钢筋冲击应变分析，试件Z16-1-(3)6 m、Z16-2-6 m(2)，以及试件Z20-1-(4)8 m、Z20-2-8 m(2)的钢筋应变时程曲线，如图2所示。

试件Z16-1-(3)6 m的应变峰值为769.447 με，Z16-2-6 m(2)的应变峰值为808.387 με，相对变化率为5.061%；Z20-1-(4)8 m的应变峰值为594.026 με，Z20-2-8 m(2)的应变峰值为665.225 με，相对变化率为11.986%。分析发现，方案二撞击作用下试件的钢筋应变相对较大，这说明对于两组当次冲击能量相等组，累积冲击能量近似相同试件，冲击能量的累积方式对试件钢筋力学性能影响较大。

2.3 冲击位移分析

相应试件的顶端测点位移时程曲线，如图3所示。

图 2 应变时程曲线

图 3 位移时程曲线

由图3可知，试件Z16-1-(3)6 m的位移峰值为49.262 mm，Z16-2-6 m(2)的位移峰值为51.364 mm，相对变化率为4.267%；Z20-1-(4)8 m的位移峰值为60.669 mm，Z20-2-8 m(2)的位移峰值为68.545 mm，变化率为12.982%。通过分析发现，方案二撞击作用下试件的顶端位移比方案一撞击作用下较大，这说明对于两组当次冲击能量相等组，累积冲击能量近似相同试件，冲击能量的累积方式对试件的侧向位移有较大影响。

2.4 裂缝损伤分析

两组桥墩试件撞击后的撞击面底部裂缝情况如表3所示。

表 3 试件底部区域撞击后裂缝

由表3可知，在当次冲击能量和累积冲击能量均相等时，试件在撞击正面的底部区域出现水平弯曲裂缝。比较两组不同配筋率试件的裂缝可知，试件Z16-1裂缝数量虽然多于Z16-2，但其主裂缝长度和宽度均小于Z16-2，试件Z20-1无裂缝产生，Z20-2出现了三条裂缝。说明在当次冲击能量和累积冲击能量相等时，试件的损伤情况不但与当次撞击能量有关，与累积撞击方式也有一定关系。

3 结论

本文对两组钢筋桥墩试件在不同的能量累积方式下进行了水平冲击对比试验，分析了两种工况下试件的冲击力作用、动态响应及损伤情况，主要结论如下：

（1）冲击能量的累积方式对试件冲击作用、钢筋力学性能及侧向位移影响较大，实验值分别可达到17.90%，11.986%，12.982%；

（2）试件的损伤情况与累积撞击方式也有一定关系，实验主裂缝宽度比可达到5.2:1；

（3）基于以上结论，可认为不同累积撞击方式对钢筋混凝土桥墩撞击性能有较大影响。

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Effect of Different Cumulative Action Modes on Impact Performance of Reinforced Concrete Piers

ZHOU Xi-wu, GAO Yu-shen*, ZHANG Guo-xue, ZHANG Wen-chao

528000,

In order to study the effects of different cumulative action modes on the impact performance of reinforced concrete piers under the same impact energy, two groups of 1/5 scale pier models were tested horizontally by using a multi-functional super heavy drop hammer impact test system, and the impact effect, strain of steel bar, displacement of specimen and crack damage of specimen were analyzed. The results showed that the cumulative mode of impact energy had a great influence on the impact effect, mechanical properties of steel bars and lateral displacement; The damage of specimens was not only related to the current impact energy, but also to the cumulative impact mode.

Reinforced concrete pier; impact performance; cumulative action mode

U446.1

A

1000-2324(2019)02-0225-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.010

2018-03-23

2018-04-27

广东省教育厅重点项目(2014KZDXM064);广东省教育厅科技创新项目(2013KJCX0188)

周锡武(1972-),男,博士,副教授,主要从事材料与结构冲击力学性能研究. E-mail:408680014@qq.com

Author for correspondence. E-mail:1396209615@qq.com