不同累積作用方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩撞擊性能的影響

周錫武,高御審,張國(guó)學(xué),張文超

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不同累積作用方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩撞擊性能的影響

周錫武,高御審*,張國(guó)學(xué),張文超

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院, 廣東 佛山 528000

為研究在相同沖擊能量作用下的不同累積作用方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩的沖擊性能影響，本文運(yùn)用多功能超高重型落錘沖擊系統(tǒng)，對(duì)兩組1/5縮尺橋墩模型進(jìn)行了水平撞擊試驗(yàn)，并分析了試件的沖擊作用、鋼筋應(yīng)變、試件位移等沖擊響應(yīng)及試件裂縫損傷。結(jié)果表明：沖擊能量的累積方式對(duì)試件沖擊作用、鋼筋力學(xué)性能及側(cè)向位移影響較大；試件的損傷情況不但與當(dāng)次撞擊能量有關(guān)，與累積撞擊方式也有一定關(guān)系。

鋼筋混凝土橋墩; 撞擊性能; 累積作用方式

隨著橋梁建設(shè)日趨大跨度化，與此同時(shí)船舶也更趨于大型化，航運(yùn)速度和噸位不斷增加，使得船撞橋事故頻頻發(fā)生[1]。展開(kāi)水平?jīng)_擊作用下鋼筋混凝土橋墩動(dòng)態(tài)響應(yīng)及損傷性能的研究意義重大。

目前，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)撞擊性能的研究主要有結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、破壞模式及損傷等方面。通過(guò)相關(guān)研究,得到了沖擊力、位移、應(yīng)變時(shí)程曲線等結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及破壞模式[2,3]。一些學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)詳細(xì)分析了撞擊速度、落錘剛度、混凝土強(qiáng)度、配筋率、約束等因素對(duì)結(jié)構(gòu)撞擊性能的影響機(jī)制[4,5]。另外一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了撞擊位置、撞擊方式、撞擊體質(zhì)量、接觸面積、試件高度、頂部載荷、軸壓比、縱筋率和混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)試驗(yàn)柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷破壞的的影響[6,7]。還有一些學(xué)者采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法研究落錘重量、沖擊速度、沖擊能量、箍筋間距和邊界條件對(duì)鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)抗沖擊行為及破壞模式的影響[8,9]。也有研究表明結(jié)構(gòu)的破壞模式主要與荷載作用時(shí)長(zhǎng)和峰值有關(guān)[10]，得到了單次沖擊與累積沖擊作用下結(jié)構(gòu)破壞的動(dòng)力性能[11]。但不同累積撞擊方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩撞擊性能影響的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

為研究在相同沖擊能量作用下的不同累積作用方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩的沖擊性能的影響。本文擬采用國(guó)內(nèi)最為先進(jìn)的落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)研究不同配筋率的兩組橋墩橫向沖擊下的現(xiàn)象原理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件

試驗(yàn)制作了4根鋼筋混凝土圓形橋墩試件，縱向鋼筋16和20 mm的橋墩各2根，截面半徑為170 mm，高為2200 mm。箍筋HPB300鋼筋（直徑8 mm、間距50 mm），縱向鋼筋分別為10根直徑16或20 mm的HRB400鋼筋，縱筋與箍筋通過(guò)焊接連接。混凝土采用C40。

1.2 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)中采用落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Z16-1和Z20-1沖擊作用為方案一，Z16-2和Z20-2沖擊作用為方案Ⅱ，見(jiàn)表1表2。

表 1 沖擊方案I

表 2 沖擊方案Ⅱ

試驗(yàn)時(shí)，試件由四個(gè)預(yù)應(yīng)力螺栓固定在剛性基座上，上端由液壓千斤頂施加250 kN的軸向壓力，撞擊試件中點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，將落錘提升至設(shè)計(jì)高度開(kāi)展沖擊碰撞試驗(yàn)，采集撞擊力、鋼筋應(yīng)變、試件位移等動(dòng)態(tài)響應(yīng)，撞擊力由小車(chē)頭部的壓力傳感器測(cè)量，鋼筋應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)在橋墩根部，試件撞擊背面自上而下100 mm、800 mm、1500 mm、2100 mm處設(shè)計(jì)了四個(gè)位移計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊作用分析

試件Z16-1-(3)6 m（表示方案一第3次落錘高度為6 m）、Z16-2-6 m(2)（表示方案二第落錘高度為6 m第2次），以及試件Z20-1-(4)8 m、Z20-2-8 m(2)的沖擊力時(shí)程曲線，如圖1所示。

圖 1 沖擊力時(shí)程曲線

Fig.1 Impact time-history curves

由圖1可知，試件Z16-1-(3)6 m的沖擊力峰值為621.559 kN，Z16-2-6 m(2)的沖擊力峰值為510.274 kN，相對(duì)變化率為-17.90%；Z20-1-(4)8 m的沖擊力峰值為741.463 kN，Z20-2-8 m(2)的沖擊力峰值為703.353 kN，相對(duì)變化率為-5.14%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，方案二撞擊作用下試件的沖擊力相對(duì)較小，主要因?yàn)榉桨付矒糇饔孟略嚰膿p傷程度相對(duì)較大。從而說(shuō)明，對(duì)于兩組當(dāng)次沖擊能量相等組，累積沖擊能量近似相同試件，沖擊能量的累積方式對(duì)試件作用影響較大。

2.2 鋼筋應(yīng)變分析

現(xiàn)以試件撞擊背面根部鋼筋為例進(jìn)行鋼筋沖擊應(yīng)變分析，試件Z16-1-(3)6 m、Z16-2-6 m(2)，以及試件Z20-1-(4)8 m、Z20-2-8 m(2)的鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖2所示。

試件Z16-1-(3)6 m的應(yīng)變峰值為769.447 με，Z16-2-6 m(2)的應(yīng)變峰值為808.387 με，相對(duì)變化率為5.061%；Z20-1-(4)8 m的應(yīng)變峰值為594.026 με，Z20-2-8 m(2)的應(yīng)變峰值為665.225 με，相對(duì)變化率為11.986%。分析發(fā)現(xiàn)，方案二撞擊作用下試件的鋼筋應(yīng)變相對(duì)較大，這說(shuō)明對(duì)于兩組當(dāng)次沖擊能量相等組，累積沖擊能量近似相同試件，沖擊能量的累積方式對(duì)試件鋼筋力學(xué)性能影響較大。

2.3 沖擊位移分析

相應(yīng)試件的頂端測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線，如圖3所示。

圖 2 應(yīng)變時(shí)程曲線

圖 3 位移時(shí)程曲線

由圖3可知，試件Z16-1-(3)6 m的位移峰值為49.262 mm，Z16-2-6 m(2)的位移峰值為51.364 mm，相對(duì)變化率為4.267%；Z20-1-(4)8 m的位移峰值為60.669 mm，Z20-2-8 m(2)的位移峰值為68.545 mm，變化率為12.982%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，方案二撞擊作用下試件的頂端位移比方案一撞擊作用下較大，這說(shuō)明對(duì)于兩組當(dāng)次沖擊能量相等組，累積沖擊能量近似相同試件，沖擊能量的累積方式對(duì)試件的側(cè)向位移有較大影響。

2.4 裂縫損傷分析

兩組橋墩試件撞擊后的撞擊面底部裂縫情況如表3所示。

表 3 試件底部區(qū)域撞擊后裂縫

由表3可知，在當(dāng)次沖擊能量和累積沖擊能量均相等時(shí)，試件在撞擊正面的底部區(qū)域出現(xiàn)水平彎曲裂縫。比較兩組不同配筋率試件的裂縫可知，試件Z16-1裂縫數(shù)量雖然多于Z16-2，但其主裂縫長(zhǎng)度和寬度均小于Z16-2，試件Z20-1無(wú)裂縫產(chǎn)生，Z20-2出現(xiàn)了三條裂縫。說(shuō)明在當(dāng)次沖擊能量和累積沖擊能量相等時(shí)，試件的損傷情況不但與當(dāng)次撞擊能量有關(guān)，與累積撞擊方式也有一定關(guān)系。

3 結(jié)論

本文對(duì)兩組鋼筋橋墩試件在不同的能量累積方式下進(jìn)行了水平?jīng)_擊對(duì)比試驗(yàn)，分析了兩種工況下試件的沖擊力作用、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及損傷情況，主要結(jié)論如下：

（1）沖擊能量的累積方式對(duì)試件沖擊作用、鋼筋力學(xué)性能及側(cè)向位移影響較大，實(shí)驗(yàn)值分別可達(dá)到17.90%，11.986%，12.982%；

（2）試件的損傷情況與累積撞擊方式也有一定關(guān)系，實(shí)驗(yàn)主裂縫寬度比可達(dá)到5.2:1；

（3）基于以上結(jié)論，可認(rèn)為不同累積撞擊方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩撞擊性能有較大影響。

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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

廣東省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2014KZDXM064);廣東省教育廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013KJCX0188)

周錫武(1972-),男,博士,副教授,主要從事材料與結(jié)構(gòu)沖擊力學(xué)性能研究. E-mail:408680014@qq.com

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