SRP加固預制節段拼裝橋墩在車輛撞擊下的動態響應

李清華 張于曄

摘要： 為了減輕車輛對預制節段拼裝橋墩的撞擊作用，采用高強鋼絲織物復合材料（Steel Reinforced Polymer， SRP）加固預制節段拼裝橋墩并進行數值模擬與分析。使用LS?DYNA建立預制節段拼裝橋墩受沖擊的數值模型，并與已有實驗數據對比，驗證了該數值模擬方法的準確性。在相同車輛撞擊條件下，對比分析了RC墩與SRP加固墩撞擊力時程曲線、側向位移和墩身損壞情況。以SRP加固位置、SRP包裹層數和初始預應力水平為變量，研究其對車輛?橋墩接觸面撞擊力和橋墩變形的影響規律。研究結果表明：采用SRP對預制節段拼裝橋墩進行合理加固，可以有效減小接觸面撞擊力、墩身位移和橋墩損傷;在橋墩底部及接縫處采用SRP加固對墩身具有更好的保護作用;SRP包裹層數由1層增加到3層可以更好地限制墩身位移變形。

關鍵詞： 預制節段拼裝橋墩; 車輛撞擊; 動態響應; 高強鋼絲織物復合材料

中圖分類號： U443.22; U441+.3 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-4523（2021）05-0959-10

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

引 言

隨著交通運輸行業的發展，車輛撞擊橋墩事故的發生概率逐年上升。車橋碰撞事故不僅對人員安全造成巨大威脅，還會引發交通癱瘓，產生巨大的經濟損失[1]。同時，預制節段拼裝橋墩因其突出的優點而被廣泛應用。與現澆橋墩相比，預制裝配式橋墩有著構建質量可控、施工效率高、建設工期短等優勢，但在受到車輛撞擊時，其動態響應與現澆橋墩會有較大的區別：預制裝配式橋墩受撞后將產生節段間滑移變形和較大的撓度。因此，對預制節段拼裝橋墩抗車輛撞擊性能的研究顯得尤為重要。

已有許多關于不同結構在沖擊荷載下的動態響應問題的研究。丁北斗等[2]對單層柱面網殼結構進行沖擊試驗，分析了沖擊力、位移、加速度等時程曲線并確定其穩定承載力;王延斌等[3]采用雙剪應力強度理論，求解了簡支圓板在沖擊荷載作用下的動力響應問題。而針對預制節段拼裝結構的橋墩在沖擊荷載作用下動態響應的相關研究則非常有限。Zhang等[4]通過擺錘沖擊試驗系統對設計的預制節段柱進行側向沖擊實驗，結果表明節段間會出現較嚴重的剪切滑移變形;Do等[5]對預制節段拼裝橋墩受車輛撞擊的狀況建立仿真模型并進行數值分析，發現受撞擊的橋墩會出現嚴重的位移變形和塑性鉸區域混凝土損傷。因此對預制節段拼裝橋墩進行合理的防撞擊加固是必要的。

目前已提出了多種橋墩防撞擊措施。張于曄等[6]使用泡沫鋁對橋墩進行了外包裹加固，分析了其抗車輛撞擊的效果;Fan等[7]對車輛撞擊下高性能纖維混凝土加固的橋墩進行了性能及參數敏感性研究;鄭植等[8]設計了FRP復合材料防撞套箱，與橋墩采用了蝴蝶型連接結構，研究其可靠性能。但是這些加固措施都以整體現澆橋墩為研究對象，其加固方法對于節段拼裝橋墩不一定適用。為了提高預制節段拼裝橋墩在側向沖擊下的抗剪性能，Zhang等[9]設置了梯形棱柱剪力鍵，由于應力集中，觀察到更嚴重的混凝土破碎現象，其后改進的拱形剪力鍵對混凝土破壞較小;Zhang等[10]采用FRP對拱形剪力鍵的節段拼裝橋墩進行包裹，證明FRP加固可以有效提高混凝土的強度，減小橋墩的變形和損傷。然而，對橋墩拱形剪力鍵的設置，每個橋墩節段采用全包裹的加固方式和FRP本身偏貴的成本都會給該方法的推廣造成困難。

高強鋼絲織物復合材料是一種由高強鋼絲編織而成的結構受力增強材料，其鋼絲織網是由縱向高強度鋼絲扭成的鋼繩與橫向普通鋼絲相互交織構成的。在加固混凝土結構方面，SRP具有資源充足、成本低、抗剪切性能好等優勢[11]。Ascione等[12]通過試驗研究表明，SRP材料沿不同方向的強度具有較好的均勻性，而且SRP加固的結構在破壞時可以表現出更高的韌性和能量耗散。因此推測SRP在限制預制節段拼裝橋墩在車輛撞擊作用下的位移變形方面具有很強的適用性。王向陽等[13]的研究也表明SRP加固可以有效減小爆炸沖擊荷載對橋墩的破壞作用。然而，采用SRP加固節段拼裝橋墩的方法尚未被提出，對撞擊力、位移等動態響應的影響也尚不明確。

鑒于此，本文采用SRP對預制節段拼裝橋墩進行合理加固，研究其受到車輛撞擊時的動態響應。本文首先建立了車輛撞擊橋墩的數值模型，并對預制節段拼裝橋墩和SRP的建模方法進行了準確性驗證。然后采用SRP對預制節段拼裝橋墩進行了底部和接縫處的加固，并與未加固的橋墩進行相同車輛撞擊條件下的撞擊力時程曲線、位移?高度曲線及墩身應力分布和損傷情況的對比，以具體研究SRP加固預制節段拼裝橋墩的抗車輛撞擊效果。最后以SRP加固區域，SRP包裹層數和初始預應力水平為研究變量，進一步探究其對預制節段拼裝橋墩受車輛撞擊時動態響應的影響規律。

1 數值模型及驗證

為了檢驗本研究中數值模擬方法的準確性，選用Zhang等[4]的擺錘沖擊實驗作為參照標準，使用LS?DYNA建立與實驗條件相同的三維實體數值模型，通過對比撞擊力時程曲線，側向位移時程曲線，墩身形態和損傷情況進行驗證。同時建立SRP的數值模型，并與經銷商公布的SRP應力?應變曲線進行對比，以此驗證SRP材料數值模擬的準確性。

1.1 參照實驗

Zhang等[4]的擺錘沖擊實驗測試橋墩為五節段橋墩，每個節段高160 mm，橋墩橫截面尺寸為100 mm×100 mm，中間留有直徑為15 mm的預應力筋孔，基礎承臺的尺寸為400 mm×400 mm×140 mm，橋墩頂部是混凝土塊和五片鐵制法蘭盤，共提供288 kg的恒載重量。橋墩每個節段都有直徑為4 mm的縱向鋼筋和橫向鋼筋構成的獨立鋼筋籠，同時由七股鋼絞線組成的直徑約9.3 mm的預應力筋底端錨固于基礎，穿過預應力筋孔通過后張拉方式對墩身施加預應力，預應力大小約為30 kN。沖擊測試系統是由固定框架裝置，擺臂及鋼沖擊塊組成的，沖擊塊的質量為300 kg。實驗中，通過調整擺臂的幅度大小來調節沖擊的初始速度，然后釋放出沖擊塊撞擊橋墩中心。實驗示意圖如圖1所示。

1.2 數值分析模型

基于擺錘沖擊試驗使用LS?DYNA建立同比例三維實體數值模型。連續帽蓋模型[14]（*MAT_CSCM）在模擬中可以充分考慮混凝土在受到沖擊時的應變率效應、損傷效應、應變強化及軟化作用的影響，被用以模擬預制節段拼裝橋墩墩身混凝土部分，其中混凝土的立方體抗壓強度為34 MPa。對于鋼筋則使用考慮應變率效應、塑性變形對屈服應力影響的分段線性塑性模型[14]（*MAT_PICEWISE_LINEAR_PLASTICIAY）。在仿真模型中鋼筋與混凝土以共節點的方式共同作用，同時分別對混凝土和鋼筋定義侵蝕失效關鍵字（*MAT_ADD_EROSION）以使破損混凝土和失效鋼筋退出計算。鋼筋與混凝土材料主要參數如表1所示。

預制節段拼裝橋墩節段與節段之間的連接主要是通過預應力筋提供的預應力來達到，仿真中一般采用溫降法[15]來模擬后張預應力的施加。溫降法的原理是利用預應力筋材料熱脹冷縮的特性，定義溫度曲線使溫度在極短的時間內瞬間降低，從而使預應力筋收縮帶動錨固端擠壓墩身，產生預應力擠壓效果。預應力的大小和溫差的關系遵循以下公式[15]

式中 ΔT代表溫差大小;f代表預應力大小;代表預應力筋的熱膨脹系數;Ac和As分別代表墩身混凝土截面面積和鋼筋截面面積;Ec和Es分別代表混凝土和鋼筋的彈性模量。預應力筋材料參數[5]如表2所示。

本文選用市場上存在的一種SRP（型號為3×2?B12）進行建模驗證。如圖2[16]所示，這種SRP每英尺包含12根鋼繩，每根鋼繩包含3根直鋼絲和2條纏繞鋼絲，每根鋼繩有效截面面積為0.481 mm2，每層SRP帶等效厚度為0.227 mm[17]。在實際工程應用中，先對所需加固的混凝土構件表面進行清潔干燥處理，然后在構件表面涂抹環氧樹脂或者粘鋼膠等粘結材料，將SRP粘接在混凝土構件表面，最后再次涂抹一層環氧樹脂作保護作用。已有的SRP與混凝土基底粘接性能試驗研究[12]表明，SRP與混凝土脫粘時所需應力與SRP被拉斷時的應力幾乎相同，因此在仿真中選用塑性隨動模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），并采用共節點的方法使其與墩身混凝土共同作用。SRP材料的主要力學性能參數如表3所示。

為了能夠有效提取撞擊力等信息，模型中的接觸采用面面自動接觸（ASTS），依據文獻[5]取節段間混凝土靜摩擦系數為0.6，鐵撞擊塊與混凝土橋墩靜摩擦系數為0.3。約束承臺底部所有自由度，以模擬實驗中對承臺的錨固約束作用。考慮橋墩自重作用，撞擊塊以橫向1.37 m/s的初速度對墩身中間節段進行沖擊。

1.3 模型驗證

1.3.1 橋墩模型驗證

圖3為實驗與仿真的撞擊力時程曲線對比。在1.37 m/s初速度的撞擊塊沖擊下，實驗與仿真中的撞擊力都迅速達到最大峰值，其后因為節段自振和墩身的總體振動作用都呈現出多個較小峰值。因為仿真中沒有考慮懸臂對擺錘的約束作用，在撞擊力峰值出現時間上表現出略微滯后的現象，峰值數目上也與實驗數據存在略微差異。而在最關鍵的撞擊力最大峰值上，實驗數據為20.9 kN，仿真數據為19.3 kN，誤差為7%;實驗數據的撞擊力持續時間為90 ms，仿真數據為86 ms，誤差為4%。由此可知仿真數據與實驗數據結果是相近的。

圖4為實驗與仿真的橋墩受撞擊位置處的側向位移時程曲線對比圖。可以看到仿真中側向位移時程曲線與參照實驗的側向位移總體變化趨勢幾乎相同。雖然仿真中第一段峰值撞擊力持續時間更長導致了更久的最大側向位移持續時間，但實驗數據與仿真數據中最大側向位移都在32.5 mm左右，側向位移變形的數據擬合較好。

圖5為45 ms時刻墩身形態與損傷情況對比圖。可以看到，撞擊塊接觸橋墩45 ms時刻橋墩受撞擊節段與上部相鄰節段出現了張合，底部節段也出現了張合，墩身整體呈現一定的撓度，仿真模型與實驗的墩身形態表現完全相同。仿真與實驗中橋墩的損傷區域都出現在受撞擊節段迎撞面和底部節段塑性鉸區域，破壞形態都表現為混凝土的受壓損壞。其中，受撞擊節段的損傷較為明顯，這是因為撞擊作用導致該節段與上部節段出現張合，迎撞面混凝土受壓嚴重產生了損傷。可以說明，仿真模型可以對混凝土的損傷位置和破壞形態有較準確的預測。

通過對仿真與實驗中撞擊力、側向位移變形和墩身形態與損傷情況的對比分析，可知本研究中的橋墩撞擊模型具有較高的精度，采用的數值模擬方法準確可靠，可以滿足橋墩動態響應分析的需求。

1.3.2 SRP材料模型驗證

Annalisa等[16]為了研究SRP材料的機械性能，采用配有液壓機構的材料試驗系統對多種型號的SRP材料進行了直接拉伸試驗，得到SRP材料的應力?應變關系曲線。基于此實驗，本文對型號為3×2?B12的SRP材料進行相同工況的建模，設置與實驗中相同的SRP材料參數以保證其力學性能的準確性，并對計算結果與實驗數據進行對比分析，以驗證SRP材料模型的合理性。對比結果如圖6所示。

由圖6可以看到，仿真計算得到的應力?應變數據點與實驗數據擬合較好，仿真中SRP最大屈服應力為2950 MPa，試驗數據為3050 MPa，誤差約為3.2%，說明SRP材料的數值模型可以滿足計算的精度需求。

2 橋墩動態響應分析

2.1 車輛撞擊模型

基于數值模型驗證中使用的材料本構、預應力施加方法、接觸和邊界約束設置以及恒載施加方式，建立了與預制節段拼裝橋墩及車輛實際尺寸相同的數值模型，以更好地接近實際情況研究SRP的加固效果，其可行性已由使用相同方法的文獻證明[5]。對質量為1129 kg的1998 Chevrolet S10皮卡車基于相關文獻的方法[18]進行簡化，并依據歐美相關規范控制撞擊位置及撞擊接觸面面積[19]，具體情況如圖7所示。

3.3 初始預應力水平的影響

初始預應力水平會對撞擊力產生輕微的影響。如圖20所示，初始預應力水平分別為墩身抗壓承載力10%，20%和30%時撞擊力的持續時間和變化趨勢幾乎相同，撞擊力峰值則隨著初始預應力的增加而略微增大。整體來看，初始預應力水平從10%增加到30%沒有對撞擊力產生明顯影響。

初始預應力水平的變化對預制節段拼裝橋墩側向位移的影響規律并不明顯。如圖21所示，在相同車輛撞擊條件下不同初始預應力水平所對應的的橋墩都呈現出幾乎相似的撓度變形趨勢;由圖22可以看到不同初始預應力水平下受撞擊節段側向位移變化趨勢幾乎相同，初始預應力占墩身抗壓承載力20%時側向位移表現略大;由圖23可以看到隨著初始預應力水平增加，節段間最大滑移量有所減小，墩身最大側移量沒有呈現出一定的規律。由此可見，初始預應力水平的增加可以更有效限制橋墩節段間的剪切滑移變形，但是對墩身側移變形的影響并不明顯。

通過以上參數分析可以得知，SRP加固預制節段拼裝橋墩的動態響應表現對與SRP直接相關的參數變化十分敏感，同時也說明SRP在提高預制節段拼裝橋墩抗撞擊性能方面與其他方法有很大的不同。目前存在的大部分橋墩抗撞擊加固方法都著重于撞擊過程中的加固材料的緩沖作用，通過能量耗散以減輕車輛的撞擊，比如泡沫鋁[6]、FRP防撞浮箱結構[8]等，但同時也無法避免材料成本過高，結構過于復雜等問題。而SRP對預制節段拼裝橋墩的加固側重于提高車輛撞擊下橋墩本身的穩定性，通過限制節段間的剪切滑移和整體撓度變形，減小橋墩的剛度表現和減輕混凝土的損傷，來達到提升預制節段拼裝橋墩抗撞擊性能的目的。同時，SRP本身低廉的成本和簡易的加固措施也為該方法的實際應用普及提供了更大的可能性。

4 結論與展望

本文采用數值模擬的方法對SRP加固的預制節段拼裝橋墩在車輛撞擊下的動態響應進行了研究分析，可以得到如下結論：

（1）在相同車輛撞擊條件下與無SRP加固的RC橋墩相比，SRP加固墩撞擊力數值和持續時間都明顯減小，墩身最大撓度減小了17.6%，幾乎不存在節段間的剪切滑移問題，而且沒有出現明顯的混凝土損傷，說明采用SRP對預制節段拼裝橋墩進行合理加固，可以有效減輕車輛對橋墩的撞擊作用。

（2）SRP底部加固可以對車輛撞擊起到一定的緩沖作用，本研究中SRP底部加固撞擊力峰值比SRP接縫處加固減小了54%;SRP接縫處加固則表現出更小的墩身最大側移和節段剪切滑移，橋墩的位移響應更低;SRP底部和接縫處同時加固會對墩身具有更好的保護作用。

（3）SRP包裹層數由1層增加到3層會使撞擊力峰值增大18.8%，但墩身側向位移和節段剪切滑移都跟隨減小，說明SRP包裹層數的增加可以更好地限制車輛撞擊下的墩身位移變形，但也會使車橋接觸面剛度有所增大。

（4）初始預應力水平由墩身抗壓承載力10%提高至30%對車輛撞擊過程中撞擊力和墩身位移響應的影響規律并不明顯。除了初始預應力水平外，對于橋墩混凝土強度、節段長細比等與橋墩直接相關的參數變量對SRP加固效果的影響還需進一步探討。

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作者簡介： 李清華（1995-），男，碩士研究生。電話：18251956698;E-mail：Mrliqh@163.com

通訊作者： 張于曄（1986-），男，副教授。電話：（025）84315773;E-mail：zyy@njust.edu.cn