落石冲击下UHPC空心截面墩的损伤分析

方 芳

（苏邑设计集团有限公司,江苏 南京 210012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）作为一种高强度、高断裂能的材料，已被应用于部分桥梁的主体结构[1]。位于山区的桥梁面临着由强降雨、地震和泥石流所引起的落石冲击风险[2-3]。位于山区的UHPC 空心截面墩刚构桥同样面临较高的落石冲击风险。目前，国内外部分学者已经意识到落石灾害对桥梁安全造成的威胁，并开展了一系列针对性研究[4-8]。然而，目前国内外学者研究对象均为普通混凝土（NSC）桥墩，暂未有学者关注到空心截面墩的抗冲击性能。为保证UHPC 空心截面墩刚构桥的健康安全服役，有必要针对落石冲击风险对其抗冲击性能展开研究。该文以湖南省永顺高速公路一座连续刚构桥为原型，采用ANSYS/LS-DYNA 建立了高精度的落石—空心截面墩刚构桥碰撞模型。该文分别考虑了NSC 与UHPC 两种材料，以便于对UHPC 空心截面墩的抗落石冲击性能进行更充分的研究。

1 模型建立

1.1 网格模型

如图1 所示为该文建立的落石—空心截面墩刚构桥碰撞有限元模型。该桥梁为4 跨刚构桥，桥面板宽12 m，单跨长度为72 m 与120 m，总跨径384 m。桥墩采用双肢薄壁高墩，边墩与中墩高墩分别为80 m 与100 m。碰撞位置为桥墩高度的四分之一，即20 m 处。被撞墩的截面为4 m×7.5 m 的空心矩形截面，截面厚度为0.5 m。该文考虑了直径为3.0 m、3.5 m 与4.0 m 三种不同尺寸的落石。

在图1 所示的有限元模型中，桥墩、承台及上部结构的力学行为采用八节点常应力Solid 单元模拟。钢筋采用Hughes-Liu 梁单元进行离散，混凝土与钢筋之间为完全黏结。采用*LOAD_BODY_Z 与*CONTROL_DYNAMIC_ RELAXATION 关键字组合的方式对重力荷载进行加载。对被撞墩的网格进行加密处理，相应的最大网格尺寸为25 mm。将承台底部设为固定边界。采用*AUTO_CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE 关键字实现落石与桥墩的面面接触。

图1 落石—空心截面墩刚构桥碰撞模型

1.2 材料模型

采用连续面盖帽模型（CSCM）模拟混凝土的力学行为，NC 和UHPC 材料的单轴抗压强度分别为40MPa、150 MPa。其中，对于NC，CSCM 提供了自动生成材料参数的方法，只需要输入材料棱柱体抗压强度即可。对于碰撞荷载下UHPC 的材料参数，可根据文献[1]确定。纵向和横向钢筋采用双线性弹塑性模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC) 建模，由Cowper-Symonds 模型来考虑其应变率效应箍筋和纵筋的屈服极限分别为300 MPa 与400 MPa，失效应变分别取为0.2、0.25。

2 结果分析与讨论

2.1 碰撞力

图2 给出了不同直径落石碰撞下UHPC 与NSC 空心截面墩的碰撞力时程曲线，相应的落石速度均为20 m/s。图3 给出了UHPC 桥墩与NSC 桥墩的碰撞力峰值。

由图2、图3 可知：

图2 碰撞力时程曲线

图3 碰撞力峰值对比

（1）落石与空心截面墩之间的撞击力属于脉冲荷载，碰撞力持时不到0.1 s 即下跌至0。在时间T=0 s 时，桥墩与落石开始发生接触，且二者之间的碰撞力迅速增大，并在极短的时间（0.01 s）内达到最大值。落石接触桥墩后，瞬时冲击效应使桥墩局部速度增大，同时落石速度减小。随后，落石与桥墩发生分离，导致碰撞力达到峰值后迅速减小。由于桥墩表面混凝土发生损伤剥落，落石不断与新暴露出的混凝土面发生碰撞，导致后续碰撞力时程曲线发生波动。

（2）落石撞击UHPC 空心截面墩时产生的峰值碰撞力显著高于NSC 桥墩。当落石与两种空心截面墩发生碰撞作用时，二者的碰撞力变化规律基本一致。然而，当落石直径d分别为3.0 m、3.5 m 与4.0 m 时，落石与NSC 桥墩之间的峰值碰撞力分别为27.56×103kN、32.92×103kN 与39.59×103kN；落石与UHPC桥墩之间的峰值碰撞力分别为47.76×103kN、57.37×103kN 与66.38×103kN。落石直径相同的条件下，UHPC 桥墩的碰撞力比NSC 桥墩平均高71.7%。这是因为UHPC 桥墩的刚度比NSC 桥墩更高，导致UHPC 桥墩的碰撞力更大。

2.2 损伤模式

如图4 所示为落石直径为3.5 m 时UHPC 空心截面墩的损伤云图。由图4 可知，落石与空心截面墩刚构桥发生碰撞时，损伤主要集中在被撞墩与相邻桥墩，且被撞墩的损伤程度远高于相邻桥墩。因此，为节省篇幅，后续分析中仅展示出被撞墩的损伤情况。图5 给出了落石直径为3.5 m 时NSC 与UHPC 空心截面墩的损伤过程。图6 给出了不同落石直径条件下NSC 与UHPC 空心截面墩的损伤差异，图中还给出了钢筋的变形云图。

图4 桥梁整体损伤（UHPC 空心截面墩，d=3.5 m）

图5 NSC 与UHPC 空心截面墩的损伤过程（d=3.5 m）

图6 不同落石直径条件下NSC 与UHPC 空心截面墩的损伤模式对比

由图5 可知：NSC 与UHPC 空心截面墩遭受落石冲击时，二者损伤模式接近，且损伤程度随时间逐渐加深。当T=0.03 s 时，迎撞面出现明显的椭圆形压溃损伤区域。这是因为落石在接触桥墩表面时，其冲击应力波以接触点为圆心等速向四周传播。由于应力波在水平面上的传播路径发生转折，导致损伤区域演化为椭圆形。T=0.06 s时，应力波沿桥墩竖向传播，引起桥墩迎撞面出现一条细长的受拉损伤区域。该细长损伤区域向下延伸至桥墩基础部位，向上延伸至墩顶，有贯穿桥墩全高的趋势。与此同时还可观察到桥墩侧面出现三角形拉压复合损伤区域。这是由于应力波由迎撞面传播至桥墩侧面所引起的。随时间推移，桥墩变形进一步增加，在T=0.21 s 时，NSC 与UHPC 桥墩上半部分均出现受弯损伤区域。对于桥墩墩底与墩顶部位，NSC 与UHPC 桥墩均出现受剪损伤。这是因为刚构桥上部结构质量大，对桥墩的约束作用近似于固定支座。在此条件下，桥墩可近似看作两端固定的超静定梁。当桥墩受到落石的冲击作用时，桥墩两端支座受到巨大的剪力，导致受剪损伤发生。

由图6 可知：NSC 与UHPC 桥墩的损伤程度均随落石直径增加，UHPC 空心截面墩的抗落石冲击性能显著高于NSC 空心截面墩。具体体现在：

（1）不同尺寸落石冲击条件下，两种空心截面墩均出现迎撞面压溃损伤、墩底剪切损伤、桥墩背面损伤及上半部分受弯损伤等主要损伤模式。然而，UHPC 空心截面墩的损伤程度远低于NSC 空心截面墩。

（2）UHPC 空心截面墩的钢筋损伤显著低于NSC桥墩。对于NSC 桥墩，其钢筋网在落石直径为3.0 m 时就已发生部分断裂，且变形较大。当d=4.0 m 时，NSC桥墩的钢筋全部被落石击穿，钢筋网出现一个圆形镂空区域，这意味着NSC 桥墩的迎撞面已丧失抗变形能力。相比之下，UHPC 桥墩钢筋网的完整度显然更加优异。虽然UHPC 桥墩的钢筋网同样出现了明显的变形，且少部分钢筋发生断裂。但其钢筋网仍具有较高的完整性，意味着UHPC 空心截面墩还具有相当的抗冲击能力。

3 结论

该文主要结论如下：

（1）落石与空心截面墩之间的撞击力属于脉冲荷载，碰撞力持时不到0.1 s 即下跌至0。落石撞击UHPC 空心截面墩时产生的峰值碰撞力显著高于NSC 桥墩。落石直径相同的条件下，UHPC 桥墩的峰值碰撞力比NSC 桥墩平均高71.7%。

（2）空心截面墩主要损伤模式为：被撞部位出现明显的椭圆形压溃损伤区域；迎撞面竖向出现一条细长的受拉损伤区域；桥墩侧面出现三角形拉压复合损伤区域；桥墩上半部分均出现受弯损伤区域；墩底与墩顶出现受剪损伤。

（3）UHPC 空心截面墩的抗落石冲击性能显著高于NSC 空心截面墩。具体体现在：不同尺寸落石冲击条件下，UHPC 空心截面墩的损伤程度远低于NSC 空心截面墩，UHPC 空心截面墩的钢筋损伤显著低于NSC 桥墩。