SRP加固预制节段拼装桥墩在车辆撞击下的动态响应

李清华 张于晔

摘要： 为了减轻车辆对预制节段拼装桥墩的撞击作用，采用高强钢丝织物复合材料（Steel Reinforced Polymer， SRP）加固预制节段拼装桥墩并进行数值模拟与分析。使用LS?DYNA建立预制节段拼装桥墩受冲击的数值模型，并与已有实验数据对比，验证了该数值模拟方法的准确性。在相同车辆撞击条件下，对比分析了RC墩与SRP加固墩撞击力时程曲线、侧向位移和墩身损坏情况。以SRP加固位置、SRP包裹层数和初始预应力水平为变量，研究其对车辆?桥墩接触面撞击力和桥墩变形的影响规律。研究结果表明：采用SRP对预制节段拼装桥墩进行合理加固，可以有效减小接触面撞击力、墩身位移和桥墩损伤;在桥墩底部及接缝处采用SRP加固对墩身具有更好的保护作用;SRP包裹层数由1层增加到3层可以更好地限制墩身位移变形。

关键词： 预制节段拼装桥墩; 车辆撞击; 动态响应; 高强钢丝织物复合材料

中图分类号： U443.22; U441+.3 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2021）05-0959-10

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

引 言

随着交通运输行业的发展，车辆撞击桥墩事故的发生概率逐年上升。车桥碰撞事故不仅对人员安全造成巨大威胁，还会引发交通瘫痪，产生巨大的经济损失[1]。同时，预制节段拼装桥墩因其突出的优点而被广泛应用。与现浇桥墩相比，预制装配式桥墩有着构建质量可控、施工效率高、建设工期短等优势，但在受到车辆撞击时，其动态响应与现浇桥墩会有较大的区别：预制装配式桥墩受撞后将产生节段间滑移变形和较大的挠度。因此，对预制节段拼装桥墩抗车辆撞击性能的研究显得尤为重要。

已有许多关于不同结构在冲击荷载下的动态响应问题的研究。丁北斗等[2]对单层柱面网壳结构进行冲击试验，分析了冲击力、位移、加速度等时程曲线并确定其稳定承载力;王延斌等[3]采用双剪应力强度理论，求解了简支圆板在冲击荷载作用下的动力响应问题。而针对预制节段拼装结构的桥墩在冲击荷载作用下动态响应的相关研究则非常有限。Zhang等[4]通过摆锤冲击试验系统对设计的预制节段柱进行侧向冲击实验，结果表明节段间会出现较严重的剪切滑移变形;Do等[5]对预制节段拼装桥墩受车辆撞击的状况建立仿真模型并进行数值分析，发现受撞击的桥墩会出现严重的位移变形和塑性铰区域混凝土损伤。因此对预制节段拼装桥墩进行合理的防撞击加固是必要的。

目前已提出了多种桥墩防撞击措施。张于晔等[6]使用泡沫铝对桥墩进行了外包裹加固，分析了其抗车辆撞击的效果;Fan等[7]对车辆撞击下高性能纤维混凝土加固的桥墩进行了性能及参数敏感性研究;郑植等[8]设计了FRP复合材料防撞套箱，与桥墩采用了蝴蝶型连接结构，研究其可靠性能。但是这些加固措施都以整体现浇桥墩为研究对象，其加固方法对于节段拼装桥墩不一定适用。为了提高预制节段拼装桥墩在侧向冲击下的抗剪性能，Zhang等[9]设置了梯形棱柱剪力键，由于应力集中，观察到更严重的混凝土破碎现象，其后改进的拱形剪力键对混凝土破坏较小;Zhang等[10]采用FRP对拱形剪力键的节段拼装桥墩进行包裹，证明FRP加固可以有效提高混凝土的强度，减小桥墩的变形和损伤。然而，对桥墩拱形剪力键的设置，每个桥墩节段采用全包裹的加固方式和FRP本身偏贵的成本都会给该方法的推广造成困难。

高强钢丝织物复合材料是一种由高强钢丝编织而成的结构受力增强材料，其钢丝织网是由纵向高强度钢丝扭成的钢绳与横向普通钢丝相互交织构成的。在加固混凝土结构方面，SRP具有资源充足、成本低、抗剪切性能好等优势[11]。Ascione等[12]通过试验研究表明，SRP材料沿不同方向的强度具有较好的均匀性，而且SRP加固的结构在破坏时可以表现出更高的韧性和能量耗散。因此推测SRP在限制预制节段拼装桥墩在车辆撞击作用下的位移变形方面具有很强的适用性。王向阳等[13]的研究也表明SRP加固可以有效减小爆炸冲击荷载对桥墩的破坏作用。然而，采用SRP加固节段拼装桥墩的方法尚未被提出，对撞击力、位移等动态响应的影响也尚不明确。

鉴于此，本文采用SRP对预制节段拼装桥墩进行合理加固，研究其受到车辆撞击时的动态响应。本文首先建立了车辆撞击桥墩的数值模型，并对预制节段拼装桥墩和SRP的建模方法进行了准确性验证。然后采用SRP对预制节段拼装桥墩进行了底部和接缝处的加固，并与未加固的桥墩进行相同车辆撞击条件下的撞击力时程曲线、位移?高度曲线及墩身应力分布和损伤情况的对比，以具体研究SRP加固预制节段拼装桥墩的抗车辆撞击效果。最后以SRP加固区域，SRP包裹层数和初始预应力水平为研究变量，进一步探究其对预制节段拼装桥墩受车辆撞击时动态响应的影响规律。

1 数值模型及验证

为了检验本研究中数值模拟方法的准确性，选用Zhang等[4]的摆锤冲击实验作为参照标准，使用LS?DYNA建立与实验条件相同的三维实体数值模型，通过对比撞击力时程曲线，侧向位移时程曲线，墩身形态和损伤情况进行验证。同时建立SRP的数值模型，并与经销商公布的SRP应力?应变曲线进行对比，以此验证SRP材料数值模拟的准确性。

1.1 参照实验

Zhang等[4]的擺锤冲击实验测试桥墩为五节段桥墩，每个节段高160 mm，桥墩横截面尺寸为100 mm×100 mm，中间留有直径为15 mm的预应力筋孔，基础承台的尺寸为400 mm×400 mm×140 mm，桥墩顶部是混凝土块和五片铁制法兰盘，共提供288 kg的恒载重量。桥墩每个节段都有直径为4 mm的纵向钢筋和横向钢筋构成的独立钢筋笼，同时由七股钢绞线组成的直径约9.3 mm的预应力筋底端锚固于基础，穿过预应力筋孔通过后张拉方式对墩身施加预应力，预应力大小约为30 kN。冲击测试系统是由固定框架装置，摆臂及钢冲击块组成的，冲击块的质量为300 kg。实验中，通过调整摆臂的幅度大小来调节冲击的初始速度，然后释放出冲击块撞击桥墩中心。实验示意图如图1所示。

1.2 数值分析模型

基于摆锤冲击试验使用LS?DYNA建立同比例三维实体数值模型。连续帽盖模型[14]（*MAT_CSCM）在模拟中可以充分考虑混凝土在受到冲击时的应变率效应、损伤效应、应变强化及软化作用的影响，被用以模拟预制节段拼装桥墩墩身混凝土部分，其中混凝土的立方体抗压强度为34 MPa。对于钢筋则使用考虑应变率效应、塑性变形对屈服应力影响的分段线性塑性模型[14]（*MAT_PICEWISE_LINEAR_PLASTICIAY）。在仿真模型中钢筋与混凝土以共节点的方式共同作用，同时分别对混凝土和钢筋定义侵蚀失效关键字（*MAT_ADD_EROSION）以使破损混凝土和失效钢筋退出计算。钢筋与混凝土材料主要参数如表1所示。

预制节段拼装桥墩节段与节段之间的连接主要是通过预应力筋提供的预应力来达到，仿真中一般采用温降法[15]来模拟后张预应力的施加。温降法的原理是利用预应力筋材料热胀冷缩的特性，定义温度曲线使温度在极短的时间内瞬间降低，从而使预应力筋收缩带动锚固端挤压墩身，产生预应力挤压效果。预应力的大小和温差的关系遵循以下公式[15]

式中 ΔT代表温差大小;f代表预应力大小;代表预应力筋的热膨胀系数;Ac和As分别代表墩身混凝土截面面积和钢筋截面面积;Ec和Es分别代表混凝土和钢筋的弹性模量。预应力筋材料参数[5]如表2所示。

本文选用市场上存在的一种SRP（型号为3×2?B12）进行建模验证。如图2[16]所示，这种SRP每英尺包含12根钢绳，每根钢绳包含3根直钢丝和2条缠绕钢丝，每根钢绳有效截面面积为0.481 mm2，每层SRP带等效厚度为0.227 mm[17]。在实际工程应用中，先对所需加固的混凝土构件表面进行清洁干燥处理，然后在构件表面涂抹环氧树脂或者粘钢胶等粘结材料，将SRP粘接在混凝土构件表面，最后再次涂抹一层环氧树脂作保护作用。已有的SRP与混凝土基底粘接性能试验研究[12]表明，SRP与混凝土脱粘时所需应力与SRP被拉断时的应力几乎相同，因此在仿真中选用塑性随动模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），并采用共节点的方法使其与墩身混凝土共同作用。SRP材料的主要力学性能参数如表3所示。

为了能够有效提取撞击力等信息，模型中的接触采用面面自动接触（ASTS），依据文献[5]取节段间混凝土静摩擦系数为0.6，铁撞击块与混凝土桥墩静摩擦系数为0.3。约束承台底部所有自由度，以模拟实验中对承台的锚固约束作用。考虑桥墩自重作用，撞击块以横向1.37 m/s的初速度对墩身中间节段进行冲击。

1.3 模型验证

1.3.1 桥墩模型验证

图3为实验与仿真的撞击力时程曲线对比。在1.37 m/s初速度的撞击块冲击下，实验与仿真中的撞击力都迅速达到最大峰值，其后因为节段自振和墩身的总体振动作用都呈现出多个较小峰值。因为仿真中没有考虑悬臂对摆锤的约束作用，在撞击力峰值出现时间上表现出略微滞后的现象，峰值数目上也与实验数据存在略微差异。而在最关键的撞击力最大峰值上，实验数据为20.9 kN，仿真数据为19.3 kN，误差为7%;实验数据的撞击力持续时间为90 ms，仿真数据为86 ms，误差为4%。由此可知仿真数据与实验数据结果是相近的。

图4为实验与仿真的桥墩受撞击位置处的侧向位移时程曲线对比图。可以看到仿真中侧向位移时程曲线与参照实验的侧向位移总体变化趋势几乎相同。虽然仿真中第一段峰值撞击力持续时间更长导致了更久的最大侧向位移持续时间，但实验数据与仿真数据中最大侧向位移都在32.5 mm左右，侧向位移变形的数据拟合较好。

图5为45 ms时刻墩身形态与损伤情况对比图。可以看到，撞击块接触桥墩45 ms时刻桥墩受撞击节段与上部相邻节段出现了张合，底部节段也出现了张合，墩身整体呈现一定的挠度，仿真模型与实验的墩身形态表现完全相同。仿真与实验中桥墩的损伤区域都出现在受撞击节段迎撞面和底部节段塑性铰区域，破坏形态都表现为混凝土的受压损坏。其中，受撞击节段的损伤较为明显，这是因为撞击作用导致该节段与上部节段出现张合，迎撞面混凝土受压严重产生了损伤。可以说明，仿真模型可以对混凝土的损伤位置和破坏形态有较准确的预测。

通过对仿真与实验中撞击力、侧向位移变形和墩身形态与损伤情况的对比分析，可知本研究中的桥墩撞击模型具有较高的精度，采用的数值模拟方法准确可靠，可以满足桥墩动态响应分析的需求。

1.3.2 SRP材料模型验证

Annalisa等[16]为了研究SRP材料的机械性能，采用配有液压机构的材料试验系统对多种型号的SRP材料进行了直接拉伸试验，得到SRP材料的应力?应变关系曲线。基于此实验，本文对型号为3×2?B12的SRP材料进行相同工况的建模，设置与实验中相同的SRP材料参数以保证其力学性能的准确性，并对计算结果与实验数据进行对比分析，以验证SRP材料模型的合理性。对比结果如图6所示。

由图6可以看到，仿真计算得到的应力?应变数据点与实验数据拟合較好，仿真中SRP最大屈服应力为2950 MPa，试验数据为3050 MPa，误差约为3.2%，说明SRP材料的数值模型可以满足计算的精度需求。

2 桥墩动态响应分析

2.1 车辆撞击模型

基于数值模型验证中使用的材料本构、预应力施加方法、接触和边界约束设置以及恒载施加方式，建立了与预制节段拼装桥墩及车辆实际尺寸相同的数值模型，以更好地接近实际情况研究SRP的加固效果，其可行性已由使用相同方法的文献证明[5]。对质量为1129 kg的1998 Chevrolet S10皮卡车基于相关文献的方法[18]进行简化，并依据欧美相关规范控制撞击位置及撞击接触面面积[19]，具体情况如图7所示。

3.3 初始预应力水平的影响

初始预应力水平会对撞击力产生轻微的影响。如图20所示，初始预应力水平分别为墩身抗压承载力10%，20%和30%时撞击力的持续时间和变化趋势几乎相同，撞击力峰值则随着初始预应力的增加而略微增大。整体来看，初始预应力水平从10%增加到30%没有对撞击力产生明显影响。

初始预应力水平的变化对预制节段拼装桥墩侧向位移的影响规律并不明显。如图21所示，在相同车辆撞击条件下不同初始预应力水平所对应的的桥墩都呈现出几乎相似的挠度变形趋势;由图22可以看到不同初始预应力水平下受撞击节段侧向位移变化趋势几乎相同，初始预应力占墩身抗压承载力20%时侧向位移表现略大;由图23可以看到随着初始预应力水平增加，节段间最大滑移量有所减小，墩身最大侧移量没有呈现出一定的规律。由此可见，初始预应力水平的增加可以更有效限制桥墩节段间的剪切滑移变形，但是对墩身侧移变形的影响并不明显。

通过以上参数分析可以得知，SRP加固预制节段拼装桥墩的动态响应表现对与SRP直接相关的参数变化十分敏感，同时也说明SRP在提高预制节段拼装桥墩抗撞击性能方面与其他方法有很大的不同。目前存在的大部分桥墩抗撞击加固方法都着重于撞击过程中的加固材料的缓冲作用，通过能量耗散以减轻车辆的撞击，比如泡沫铝[6]、FRP防撞浮箱结构[8]等，但同时也无法避免材料成本过高，结构过于复杂等问题。而SRP对预制节段拼装桥墩的加固侧重于提高车辆撞击下桥墩本身的稳定性，通过限制节段间的剪切滑移和整体挠度变形，减小桥墩的刚度表现和减轻混凝土的损伤，来达到提升预制节段拼装桥墩抗撞击性能的目的。同时，SRP本身低廉的成本和简易的加固措施也为该方法的实际应用普及提供了更大的可能性。

4 结论与展望

本文采用数值模拟的方法对SRP加固的预制节段拼装桥墩在车辆撞击下的动态响应进行了研究分析，可以得到如下结论：

（1）在相同车辆撞击条件下与无SRP加固的RC桥墩相比，SRP加固墩撞击力数值和持续时间都明显减小，墩身最大挠度减小了17.6%，几乎不存在节段间的剪切滑移问题，而且没有出现明显的混凝土损伤，说明采用SRP对预制节段拼装桥墩进行合理加固，可以有效减轻车辆对桥墩的撞击作用。

（2）SRP底部加固可以对车辆撞击起到一定的缓冲作用，本研究中SRP底部加固撞击力峰值比SRP接缝处加固减小了54%;SRP接缝处加固则表现出更小的墩身最大侧移和节段剪切滑移，桥墩的位移响应更低;SRP底部和接缝处同时加固会对墩身具有更好的保护作用。

（3）SRP包裹层数由1层增加到3层会使撞击力峰值增大18.8%，但墩身侧向位移和节段剪切滑移都跟随减小，说明SRP包裹层数的增加可以更好地限制车辆撞击下的墩身位移变形，但也会使车桥接触面刚度有所增大。

（4）初始预应力水平由墩身抗压承载力10%提高至30%对车辆撞击过程中撞击力和墩身位移响应的影响规律并不明显。除了初始预应力水平外，对于桥墩混凝土强度、节段长细比等与桥墩直接相关的参数变量对SRP加固效果的影响还需进一步探讨。

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作者简介： 李清华（1995-），男，硕士研究生。电话：18251956698;E-mail：Mrliqh@163.com

通讯作者： 张于晔（1986-），男，副教授。电话：（025）84315773;E-mail：zyy@njust.edu.cn