外包鋼板對鋼筋混凝土橋墩撞擊性能影響的試驗研究

韓 艷， 范東振， 劉 山

(1. 北方工業大學 土木工程學院， 北京 100141; 2. 馬凱特大學 土木建筑環境工程系， 密爾沃基 53201)

外包鋼板對鋼筋混凝土橋墩撞擊性能影響的試驗研究

韓 艷1,2， 范東振1， 劉 山1

(1. 北方工業大學 土木工程學院， 北京 100141; 2. 馬凱特大學 土木建筑環境工程系， 密爾沃基 53201)

分別進行了普通鋼筋混凝土橋墩和外包鋼板混凝土橋墩在車輛碰撞作用下的動力性能模型試驗，通過實測撞擊力時程、橋墩的加速度以及鋼筋的應變時程響應并進行對比分析，研究了外包鋼板對提高橋墩防撞能力的效果。研究結果表明，外包鋼板混凝土墩柱的車輛撞擊力、撞擊部位的加速度均小于普通鋼筋混凝土墩柱的相應值，橋墩根部鋼筋的峰值壓應變也大幅度降低，說明采用外包鋼板的方法可以有效減少車輛對橋墩的撞擊作用，從保護橋墩結構本身的角度來說是一種有效的方法。

撞擊性能； 車輛； 橋墩； 外包鋼板； 試驗分析

車輛撞擊橋墩，不僅易造成車毀、人亡等慘劇，而且在一定程度上降低了橋梁結構在設計壽命期內的承載能力和耐久性，碰撞引起的墩頂位移過大，會直接影響橋梁的支座安全以及上部梁體的穩定，嚴重時甚至會造成上部結構的脫落。近年來，國內外車輛撞擊橋墩事故頻頻發生，已引起了橋梁工程界及社會各界的極大關注，許多學者針對這一問題進行了大量的研究[1-4]。然而，汽車與橋墩結構碰撞的作用機理十分復雜，涉及到結構沖擊動力學、材料沖擊動力學、車輛工程、橋梁工程、巖土力學等多個學科領域，理論研究難度非常大。相對于船撞橋墩的研究[5]，車撞橋墩的研究還遠不夠系統完善。目前已有的理論分析法均是從工程應用方便的角度，基于大量的假設，將短時間內有巨大能量交換的復雜的車橋墩撞擊系統簡化為單自由度或雙自由度的質量-彈簧模型[6-7]、剛塑性梁模型[8]、均質地基樁柱模型[9]。這些方法忽略了車輛與橋墩結構的材料非線性、接觸非線性、混凝土的應變率效應，難以給出精確的撞擊數據。

試驗方法真實可靠，是車橋碰撞研究中一種不可缺少的手段。由于足尺實驗費用昂貴、巨大的沖擊荷載難以實現等原因，我國已有的試驗研究主要是采用梁、板等兩端簡支構件進行落錘沖擊試驗。張南等[10-11]采用承受軸向壓力的一端固支、一端簡支的圓形臥式墩柱構件模擬實際橋墩的受力情況，用落錘沖擊模擬車輛的撞擊作用，研究在橋墩表面設置緩沖器對橋墩構件側向沖擊響應的影響；盧紅琴等[12-13]通過臥位放置的鋼筋混凝土橋墩的落錘撞擊試驗，研究分析了由不銹鋼管加膠泥構成的組合耗能裝置的緩沖吸能效果及其對橋墩動力響應的影響，指出耗能裝置能明顯減少車輛的動力沖擊作用。這些研究方法均采用豎直方向的落錘代替水平向行駛的汽車，忽略了車輛本身的彈塑性變形與動力特性，且落錘與汽車無論在結構構造上，還是碰撞后的運動響應上，都有不小的差別，對撞擊時間不易準確地把握。

目前在一些市政橋梁的防車撞設計中，常采取在普通的鋼筋混凝土橋墩外包1～2 cm厚鋼板的方法來增加橋墩的防撞能力。外包鋼板同時可以作為橋墩施工時的模板，非常方便，而對于外包鋼板的防撞效果尚未見有文獻發表。本文分別進行了普通鋼筋混凝土橋墩和外包鋼板混凝土橋墩在車輛碰撞作用下的動力性能模型試驗，通過實測橋墩的撞擊力時程、橋墩的加速度以及鋼筋的應變響應時程并進行對比分析，研究了外包鋼板對橋墩撞擊動力響應的影響。

1 車輛碰撞橋墩模型試驗

本文主要研究車輛撞擊下橋墩的動力響應狀況，研究的重點是橋梁墩柱受撞時的動力響應特征和損傷機理。因此，在進行模型試驗設計時遵循的相似設計原則為：在現有試驗設備和試驗場地條件下，橋墩模型的尺寸、鋼筋配筋率、混凝土等級和試驗邊界條件與實際情況保持較為嚴格的相似比例關系，小車模型的能量與實際保持相似。

以某一立交橋的實際橋墩為原型來設計試驗用橋墩模型，該橋墩高6.2 m，為直徑1.6 m的圓形橋墩，外包2 cm厚的鋼板。根據相似理論，試驗用橋墩模型的有效高度取155 cm，直徑取40 cm，墩柱的材料選用原材料，即C30混凝土，采用直徑12 mm的HRB335鋼筋作為墩柱的縱向受力主筋，直徑6 mm的HPB235鋼筋作為箍筋，外包鋼板的厚度為5 mm；受試驗條件的限制，不考慮樁-土相互作用，將墩底模擬為固定端，將焊接在墩柱底面的鋼板利用螺栓與通過地錨螺栓和地基可靠連接的基礎鋼板相連接。橋墩模型的構造尺寸及配筋設計如圖1所示。在橋墩根部20 cm范圍附加徑向鋼板用來模擬承臺及橋墩根部周圍地基土對橋墩的約束作用。為明確外包鋼板的防撞作用，同時制作了一根相同尺寸的普通鋼筋混凝土墩柱，其配筋與外包鋼板混凝土墩柱完全相同。

橋墩受到車輛撞擊作用，其根部彎矩最大。為獲取鋼筋的動應變數據，在距墩柱根部5 cm處的迎撞面和背撞面的墩柱主筋上粘貼了鋼筋應變片。

車輛撞擊橋墩的過程是車輛動能與橋墩內能相互轉化的過程，車輛的速度和質量的大小決定了橋墩受撞擊時的動力響應強弱，考慮車輛速度和質量兩個主要影響因素，并適當考慮車輛的變形和耗能狀況，本文的試驗車輛采用鋼材焊接而成，在車輛前面的碰撞橫梁上外包5 mm厚的橡膠來模擬車輛的變形及耗能情況，通過配重調整車輛的載重。試驗車輛的碰撞速度由滑道提供，通過在不同高度的軌道位置釋放車輛來獲得不同的撞擊速度。滑道采用鋼材螺栓連接及焊接組裝成整體，由與地面夾角為30°的直線段、水平直線段以及中間的緩和曲線連接段組成，在滑道兩側設置50 cm高的擋板以保證試驗車輛在向下行駛過程中不會發生側翻。受條件限制，本試驗采用人工錘擊法在軌道的不同高度處釋放車輛，試驗用軌道及車輛如圖2所示。

圖1 橋墩模型的構造尺寸及配筋圖Fig.1 The dimension and reinforcement of pier model

圖2 試驗用軌道及車輛Fig.2 The vehicle model and track

考慮到車輛撞擊橋墩事故發生前，司機會本能地采取剎車等措施，且受到試驗條件的限制，本文僅考慮了車速分別為15 km/h、22 km/h、27 km/h等三種低速行駛情況，對外包鋼板混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱均進行了如表1所示的五種工況的試驗。試驗車輛模型從軌道的三個不同高度滑下，撞擊位置距墩柱底60 cm。在橋墩的迎撞面位置布置了GH-4型輪輻式壓力傳感器，在橋墩背撞面的墩頂、撞擊部位布置了加速度傳感器。采用DH5957動態信號測試分析系統測量記錄撞擊力、加速度及鋼筋的動應變響應時程。

表1 碰撞試驗工況Tab.1 The collision test conditions

2 試驗結果分析

2.1 撞擊力

車輛的撞擊力是進行橋墩設計的一種重要荷載，也是進一步評估橋梁受車撞后的損傷情況及繼續承載能力的基礎。圖3～圖7為各工況下橋墩所受撞擊力的時程曲線。

圖3 工況1撞擊力時程曲線Fig.3 Time history of collision force in Condition 1

圖4 工況2撞擊力時程曲線Fig.4 Time history of collision force in Condition 2

圖5 工況3撞擊力時程曲線Fig.5 Time history of collision force in Condition 3

圖6 工況4撞擊力時程曲線Fig.6 Time history of collision force in Condition 4

從圖3～圖7中可以看出，無論是普通鋼筋混凝土墩柱還是外包鋼板混凝土墩柱，車輛的撞擊作用時間都很短暫，均約為0.01 s左右。在許多撞擊力時程曲線的最大峰值前部都有一個小的峰值，這是由于GH-4型輪輻式壓力傳感器本身尺寸較大(直徑也有40 cm)，并且是立式放置貼合在墩身上的，車輛的撞擊作用通過壓力傳感器傳遞到墩身上時，首先需要把傳感器與墩身之間的微小空隙壓實，在此過程中傳感器本身也產生了微小振動的緣故。

圖7 工況5撞擊力時程曲線

Fig.7 Time history of collision force in Condition 5

圖8、圖9分別為各工況下普通鋼筋混凝土柱與外包鋼板混凝土柱的撞擊力最大值與撞擊車速及車輛質量的關系圖。

圖8 最大撞擊力與車速關系圖Fig.8 The maximum collision force vs. vehicle speed

圖9 最大撞擊力與車輛質量關系圖Fig.9 The maximum collision force vs. vehicle mass

從圖8中可以看出，隨著車速的提高，普通鋼筋混凝土柱和外包鋼板混凝土柱的最大撞擊力均增大，且兩者的差值有逐漸增大的趨勢。對于相同的撞擊車速，外包鋼板混凝土柱的最大撞擊力明顯小于普通鋼筋混凝土柱的相應值。這表明采用外包鋼板的方法確實可以減小汽車碰撞對橋墩產生的撞擊作用。

從圖9中可以看出，隨著車輛質量的增加，普通鋼筋混凝土柱和外包鋼板混凝土柱的最大撞擊力也增大，盡管對于相同的車輛質量，外包鋼板混凝土柱的最大撞擊力均小于普通鋼筋混凝土柱的相應值，但是與車輛撞擊速度的影響不同，兩者的差值隨著車輛質量的增加明顯地呈現減小的趨勢，當車輛的質量達到1 000 kg時，試驗測得的普通鋼筋混凝土柱最大撞擊力為553.30 kN，外包鋼板柱最大撞擊力為549.64 kN，僅略小于普通鋼筋混凝土柱。

2.2 橋墩加速度響應

橋墩的加速度可以直觀反應橋墩的振動情況，從而可以判斷不同的撞擊情況對橋墩動力響應的影響。圖10、圖11分別給出了質量1 000 kg的小車以15 km/h的速度撞擊普通鋼筋混凝土墩柱和外包鋼板混凝土墩柱時的橋墩墩頂和撞擊位置處的加速度響應時程曲線。

圖10 橋墩墩頂加速度時程曲線Fig.10 Time history of pier top acceleration

圖11 橋墩撞擊處加速度時程曲線Fig.11 Time history of pier acceleration at collision position

從圖10,11中可以看出，在相同的車輛撞擊條件下，無論是普通鋼筋混凝土墩柱還是外包鋼板混凝土墩柱，橋墩墩頂和撞擊位置處的加速度響應形態不盡相同，其撞擊位置處的加速度均明顯大于墩頂的加速度，并且外包鋼板混凝土墩柱的加速度響應時間要大于普通鋼筋混凝土墩柱的響應時間。

圖12～圖15分別為橋墩墩頂及撞擊位置處加速度的最大值與車輛速度、車輛質量的關系圖。

圖12 橋墩墩頂加速度與車速關系圖Fig.12 Pier top acceleration vs. vehicle speed

從這些圖中可以看出：

圖13 橋墩撞擊處加速度與車速關系圖Fig.13 Pier acceleration at collision position vs. vehicle speed

圖14 橋墩墩頂加速度與車輛質量關系圖Fig.14 Pier top acceleration vs. vehicle mass

圖15 橋墩撞擊處加速度與車輛質量關系圖Fig.15 Pier acceleration at collision position vs. vehicle mass

(1) 在相同的車輛撞擊條件下，外包鋼板混凝土橋墩撞擊位置處的加速度均小于普通鋼筋混凝土橋墩撞擊位置處的加速度，而外包鋼板混凝土橋墩墩頂處的加速度可能小于也可能大于普通鋼筋混凝土橋墩墩頂處的加速度，這說明碰撞引起的振動在兩種墩柱內的傳播規律是不同的，是很復雜的；

(2) 隨著車速的提高，外包鋼板混凝土橋墩墩頂和撞擊位置處的加速度均增大，且墩頂的加速度對車速的變化更為敏感，而普通鋼筋混凝土橋墩的加速度沒有明顯的變化規律；

(3) 隨著車輛質量的增加，外包鋼板混凝土橋墩撞擊位置處的加速度也有增大的趨勢，而普通鋼筋混凝土撞擊位置處的加速度出現先增大后減小的趨勢，這可能是因為當車輛的撞擊能量增大到一定程度時，普通鋼筋混凝土的保護層首先開裂會消耗掉一部分能量的緣故。

2.3 鋼筋應變

圖16、圖17分別為質量500 kg的小車以15 km/h的速度撞擊橋墩時，橋墩迎撞面與背撞面的縱向鋼筋的應變時程曲線。

圖16 橋墩迎撞面縱向鋼筋應變時程曲線Fig.16 Time history of reinforcement strain of pier model’s front

圖17 橋墩背撞面縱向鋼筋應變時程曲線Fig.17 Time history of reinforcement strain of pier model’s rear

從圖16、圖17中可以看出，普通鋼筋混凝土墩柱受到車輛撞擊時，其根部縱筋的壓應變瞬間可以達到很大的值，并且鋼筋的應變變形以壓應變為主，這與文獻[14]給出的試驗結果一致。外包鋼板混凝土墩柱由于外包鋼板的保護作用，根部縱筋的應變變化明顯小于普通鋼筋混凝土柱。

表2為各工況下普通鋼筋混凝土柱和外包鋼板混凝土柱根部迎撞面和背撞面鋼筋壓應變的最大值。表中“—”表示鋼筋應變已超量程。

表2 橋墩根部縱筋壓應變最大值Tab.2 The maximum reinforcement stain at pier roots (με)

從表中可以看出，普通混凝土柱在受到車輛撞擊的瞬間，鋼筋的壓應變可能達到非常大的值，而外包鋼板混凝土柱由于外部鋼板的保護作用，其鋼筋的壓應變遠小于普通鋼筋混凝土柱的相應值，鋼筋的壓應變始終保持在彈性范圍內，這表明采用外包鋼板的方法確實可有效減輕車輛對橋墩的撞擊作用。

3 結 論

本文通過實測普通鋼筋混凝土橋墩和外包鋼板混凝土橋墩在不同質量的小車以不同速度撞擊作用下的動力響應，并進行分析，得到的主要結論如下：

(1) 在其他條件相同的情況下，外包鋼板混凝土墩柱的車輛撞擊力均小于普通鋼筋混凝土墩柱的撞擊力，表明采用外包鋼板的方法可以有效地減少車輛對橋墩的撞擊作用；

(2) 在相同的車輛撞擊條件下，外包鋼板混凝土橋墩撞擊位置處的加速度均小于普通鋼筋混凝土橋墩撞擊位置處的加速度，而墩頂處則不盡然，說明車輛碰撞引起的振動在橋墩內的傳播是很復雜的；

(3) 采用外包鋼板的方法可以使混凝土墩柱內的縱筋壓應變較普通混凝土柱大為減小，從保護橋墩結構本身的角度來說是一種有效的方法，但對于外包鋼板的合理厚度還需進一步研究。

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TestsforEffectofencasedsteelplateonanti-impactperformanceofaRCPier

HAN Yan1,2, FAN Dongzhen1, LIU Shan1

(1. Civil Engineering School, North China University of Technology, Beijing 100141, China;2. Department of Civil, Construction & Environmental Engineering, Marquette University, Milwaukee, WI 53201, USA)

Dynamic performance model tests were conducted on an ordinary RC pier and a steel encased concrete pier under vehicle collisions, respectively. Through measuring and comparatively analyzing impact force time history curves, pier acceleration and reinforcement strain time history curves, the effect of the encased steel plate on improving the pier’s anti-collision ability was studied. The results showed that vehicle impact force and pier acceleration at the impact position of the steel encased concrete pier are less than those of the ordinary RC pier, and the reinforcement peak compressive strain at the pier root also greatly reduced; so, the encased steel plate can effectively reduce vehicle impact actions exerted on bridge piers, therefore it is an effective method to protect pier structures from vehicle impacts.

impact performance; vehicle; bridge pier; encased steel plate; reinforced concrete (RC)

國家自然科學基金(51308035)

2016-07-25 修改稿收到日期：2016-09-21

韓 艷 女，博士，副教授，1970年生

U441.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.026