落石沖擊對橋墩破壞作用的研究

□文/李冰

落石沖擊對橋墩破壞作用的研究

□文/李冰

為研究落石沖擊作用下不同截面形式橋墩的動力響應及破壞規律，采用混凝土連續面蓋帽模型（CSCM）構建數值模型，基于能量守恒及沙漏原理檢驗了數值模型的可靠性。從橋墩混凝土體積損傷率和墩柱位移兩個角度研究了不同截面形式橋墩在落石沖擊作用下的動力響應及破壞規律，為今后山區橋梁墩柱形式選擇提供一定的參考。

落石；碰撞；數值模擬；LS-DYNA；動力響應；破壞規律；沖擊；橋墩

目前，地球已經進入地震活躍時期，特別是我國西部山區落石災害尤為突出，主要交通干線常有石塊滾落，橋梁遭受落石碰撞沖擊的事故時有發生，嚴重影響了橋梁的正常使用。汶川地震之后，許多巖體變為危巖體，隨時有滑落的危險。因此在設計山區橋梁時需要重點考慮落石的沖擊作用。結合已有調查來看，落石沖擊對橋墩的侵徹損傷影響明顯，由于落石撞擊而致使橋梁倒塌的現象是相當嚴重的［1］。因此，研究橋梁在落石撞擊作用下的動力響應以及破壞規律、降低落石撞擊橋梁風險以及提高橋梁的抗撞擊能力具有非常重要的理論與現實意義。

本文借鑒研究車、船撞擊橋梁問題的一些方法和理論，充分考慮落石碰撞與車、船撞擊的異同點。基于LS-DYAN有限元分析軟件建立了落石撞擊橋墩的數值模型，分析了不同截面形式橋墩在落石沖擊作用下的動力響應及破壞規律。

1　模型與原理

山區公路橋梁常見橋墩多采用柱式墩和Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最為常用，柱式墩分為圓柱式和方柱（矩形柱）以及橢圓柱。

本文主要選用3種山區橋梁常用墩柱形式，即圓柱式、矩形柱和橢圓柱式墩。不同橋墩采取相同的截面面積、柱高、配筋方式以及混凝土保護層厚度，通過改變落石的初速度方向，從不同方向撞擊橋墩，數值模擬不同撞擊方向下不同截面形式橋墩的動力響應及損壞情況。3種不同截面形式橋墩模型參數見表1。

表1　三種不同截面形式橋墩數值模型參數

文中鋼筋采用beam161單元建模，其本構關系采用隨動強化雙線性彈塑性模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）；混凝土采用solid164單元，其本構關系采用混凝土連續面蓋帽模型（CSCM）；落石簡化為剛性體，采用LS-DYNA中的剛性材料（*MAT_RIGID）來模擬；鋼筋與混凝土采用歐拉-拉格朗日流固耦合算法，在LS-DYNA軟件中用關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN SOLID將兩者耦合在一起，不考慮鋼筋與混凝土間的滑移。各材料參數見表2。

表2　材料參數

2　LS-DYNA程序可靠性

基于LS-DYAN有限元軟件模擬低速碰撞問題時，能量問題通常是需要引起重視的一個問題，因為能量是否守恒、沙漏能是否得以控制都將直接影響最終計算結果的穩定性。一般來說，需要將沙漏能和滑移能控制在系統總能量的10%以內，如果超過這個限值，那么數值計算結果可能是無效的。由于篇幅限制，僅列出圓柱橋墩在落石沖擊作用下系統的能量曲線，見圖1。

圖1　圓柱橋墩碰撞能量時程

由圖1可以看出，碰撞過程中系統的總能量基本守恒，落石動能的99%以上轉換為鋼筋混凝土的內能、動能、沙漏能、滑移能以及刪除混凝土單元的動能和內能，在碰撞過程中沙漏能和滑移能均得到很好控制，沙漏能峰值達到系統總能量的4.37%＜10%；滑移能峰值達到系統總能量的2.46%＜10%，因此本文的數值模擬計算基本是可靠的［2］。

3　不同截面形式橋墩碰撞結果分析

橋墩在落石的撞擊作用下，將會發生不同程度的損壞，碰撞局部混凝土因受到較大沖擊作用而發生受壓破壞，隨著橋墩保護層混凝土的失效，落石將繼續與鋼筋以及核心區混凝土接觸，如果落石的沖擊動能較大，鋼筋也會發生明顯的屈服現象。落石與橋墩碰撞的數值模擬結果見圖2-圖3。

圖2　落石與橋墩混凝土接觸

圖3　碰撞區鋼筋應力

3.1橋墩與落石的接觸力對比

在低速碰撞過程中，沖擊荷載的峰值與持時是影響結構破壞模式的重要因素［3］。不同截面形式橋墩在落石碰撞作用下，接觸力峰值與持時隨碰撞方向截面剛度大小改變而變化，見圖4和表3。

圖4　接觸力（合力）對比

表3　接觸力對比kN

由圖4可以明顯的看到，每條接觸力曲線都有兩個明顯的波峰，即B、D兩點。曲線AB段，落石與橋墩保護層接觸并且引起保護層混凝土受壓破壞，曲線CD段，由于接觸區域保護層混凝土達到失效閾值而被刪除，落石開始與由鋼筋和核心區混凝土組成的共同體接觸，由于混凝土保護層消耗落石的動能較小，鋼筋與核心區混凝土組成的共同體將承擔落石大部分的沖擊能量。又由于鋼筋對混凝土的加強作用，這部分單元相對于保護層混凝土單元具有更高的強度，因此CD段的接觸力比AB段的接觸力更大。

由于本文設置了混凝土單元的失效閾值，當混凝土單元達到應變閾值時，即被刪除而不繼續參與結構受力，因此接觸力合力不因截面剛度的增大而增大，反而因為截面剛度的提高，橋墩在碰撞方向的位移越小，因此混凝土單元更快達到失效閾值，隨著保護層混凝土單元的失效刪除，接觸力反而有減小的趨勢（BC段曲線）。

具體來看，工況2由于其被撞方向剛度比工況1稍大，碰撞方向位移較小，因此接觸力峰值出現在工況1的左側且峰值（2 053 kN）稍大于工況1（1 471 kN），隨著混凝土的失效刪除，接觸力迅速降低，維持在一個較低水平，直至最后降低為0，持時大于工況1。

工況3被撞方向剛度小于工況1，碰撞方向位移大于工況1，因此接觸力峰值出現在工況1的右側且峰值（1 957 kN）稍大于工況1。接觸力隨著混凝土單元的失效刪除而降低，持時小于工況1。

工況4被撞方向剛度大于工況1，但是混凝土單元因失效刪除較為嚴重，因此在一定程度上減小了橋墩與落石的接觸力。整個碰撞過程中接觸力維持在一個相對較低的水平，接觸力峰值為530 kN，持時大于工況1。

工況5剛度小于工況1，碰撞方向橋墩位移較大，因此接觸力峰值（1 392 kN）要略小于工況1，整個碰撞過程中接觸力處于一個較高水平，持時與工況1相近。

3.2橋墩在落石撞擊下的位移對比

橋墩在落石撞擊作用下，撞擊區混凝土發生破壞、鋼筋出現屈服，橋墩整體產生振動，其振幅大小與接觸力歷程關系密切。工況1～工況5橋墩在落石撞擊作用下位移時程見圖5。

圖5　橋墩碰撞方向位移時程

由圖5可以看到，在落石與橋墩接觸的時間域內，由于接觸力的大小隨混凝土的失效刪除而變化，橋墩的加速度也隨之變化，橋墩的位移變化規律與前文分析的接觸力變化規律基本一致；隨著落石脫離與橋墩之間的接觸，橋墩在先前撞擊作用下，將產生小振幅的震蕩，碰撞方向的振幅整體上呈現剛度越小，振幅越大的趨勢，亦即工況5＞工況3＞工況1＞工況2＞工況4。橋墩在落石撞擊后的頻率和振幅見表4。

3.3混凝土單元刪除體積對比

橋墩混凝土在落石撞擊作用下將產生明顯的損傷破壞，混凝土單元的失效體積比可以直觀反應橋墩在落石撞擊作用下的損傷程度。工況1～工況5橋墩混凝土單元刪除體積比見圖6。

圖6　混凝土刪除體積對比

由圖6可以看到，工況2和工況4撞擊區混凝土單元刪除體積較大，分別為6.38‰和3.76‰。分析原因是因為這兩個方向的截面剛度大，碰撞方向位移小，因此落石的動能更多的由混凝土和鋼筋的變形來承擔。進而造成混凝土單元受壓破壞嚴重，體積刪除更多。

4　結論

1）在落石形狀和初動能相同的情況下，橋墩截面剛度成為影響接觸力峰值和持時、橋墩位移、失效混凝土體積的重要因素。橋墩截面剛度越大，橋墩碰撞區混凝土更容易發生受壓破壞，橋墩受損嚴重。

2）圓柱形橋墩由于具有各向同性，在落石碰撞過程中墩柱位移適中、混凝土刪除體積較小，因此在山區橋梁建設中應優先考慮。

［1］西南交通大學土木工程學院.西部山區橋梁墩柱落石撞擊調查分析報告［R］.成都，2011.

［2］孟一.沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁的試驗及數值模擬研究［D］.長沙：湖南大學，2012.

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

［4］余志祥，許滸，呂蕾，等.落石沖擊對山區橋梁墩柱破壞的影響［J］.四川大學學報：工程科學版，2012，，（6）：86-91.

U443.22

C

1008-3197（2016）02-65-03

2015-12-07

李冰/男，1989年出生，天津市市政工程設計研究院，從事道橋工程設計工作。

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