落石沖擊下UHPC空心截面墩的損傷分析

方 芳

（蘇邑設計集團有限公司,江蘇 南京 210012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）作為一種高強度、高斷裂能的材料，已被應用于部分橋梁的主體結構[1]。位于山區的橋梁面臨著由強降雨、地震和泥石流所引起的落石沖擊風險[2-3]。位于山區的UHPC 空心截面墩剛構橋同樣面臨較高的落石沖擊風險。目前，國內外部分學者已經意識到落石災害對橋梁安全造成的威脅，并開展了一系列針對性研究[4-8]。然而，目前國內外學者研究對象均為普通混凝土（NSC）橋墩，暫未有學者關注到空心截面墩的抗沖擊性能。為保證UHPC 空心截面墩剛構橋的健康安全服役，有必要針對落石沖擊風險對其抗沖擊性能展開研究。該文以湖南省永順高速公路一座連續剛構橋為原型，采用ANSYS/LS-DYNA 建立了高精度的落石—空心截面墩剛構橋碰撞模型。該文分別考慮了NSC 與UHPC 兩種材料，以便于對UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能進行更充分的研究。

1 模型建立

1.1 網格模型

如圖1 所示為該文建立的落石—空心截面墩剛構橋碰撞有限元模型。該橋梁為4 跨剛構橋，橋面板寬12 m，單跨長度為72 m 與120 m，總跨徑384 m。橋墩采用雙肢薄壁高墩，邊墩與中墩高墩分別為80 m 與100 m。碰撞位置為橋墩高度的四分之一，即20 m 處。被撞墩的截面為4 m×7.5 m 的空心矩形截面，截面厚度為0.5 m。該文考慮了直徑為3.0 m、3.5 m 與4.0 m 三種不同尺寸的落石。

在圖1 所示的有限元模型中，橋墩、承臺及上部結構的力學行為采用八節點常應力Solid 單元模擬。鋼筋采用Hughes-Liu 梁單元進行離散，混凝土與鋼筋之間為完全黏結。采用*LOAD_BODY_Z 與*CONTROL_DYNAMIC_ RELAXATION 關鍵字組合的方式對重力荷載進行加載。對被撞墩的網格進行加密處理，相應的最大網格尺寸為25 mm。將承臺底部設為固定邊界。采用*AUTO_CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE 關鍵字實現落石與橋墩的面面接觸。

圖1 落石—空心截面墩剛構橋碰撞模型

1.2 材料模型

采用連續面蓋帽模型（CSCM）模擬混凝土的力學行為，NC 和UHPC 材料的單軸抗壓強度分別為40MPa、150 MPa。其中，對于NC，CSCM 提供了自動生成材料參數的方法，只需要輸入材料棱柱體抗壓強度即可。對于碰撞荷載下UHPC 的材料參數，可根據文獻[1]確定。縱向和橫向鋼筋采用雙線性彈塑性模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC) 建模，由Cowper-Symonds 模型來考慮其應變率效應箍筋和縱筋的屈服極限分別為300 MPa 與400 MPa，失效應變分別取為0.2、0.25。

2 結果分析與討論

2.1 碰撞力

圖2 給出了不同直徑落石碰撞下UHPC 與NSC 空心截面墩的碰撞力時程曲線，相應的落石速度均為20 m/s。圖3 給出了UHPC 橋墩與NSC 橋墩的碰撞力峰值。

由圖2、圖3 可知：

圖2 碰撞力時程曲線

圖3 碰撞力峰值對比

（1）落石與空心截面墩之間的撞擊力屬于脈沖荷載，碰撞力持時不到0.1 s 即下跌至0。在時間T=0 s 時，橋墩與落石開始發生接觸，且二者之間的碰撞力迅速增大，并在極短的時間（0.01 s）內達到最大值。落石接觸橋墩后，瞬時沖擊效應使橋墩局部速度增大，同時落石速度減小。隨后，落石與橋墩發生分離，導致碰撞力達到峰值后迅速減小。由于橋墩表面混凝土發生損傷剝落，落石不斷與新暴露出的混凝土面發生碰撞，導致后續碰撞力時程曲線發生波動。

（2）落石撞擊UHPC 空心截面墩時產生的峰值碰撞力顯著高于NSC 橋墩。當落石與兩種空心截面墩發生碰撞作用時，二者的碰撞力變化規律基本一致。然而，當落石直徑d分別為3.0 m、3.5 m 與4.0 m 時，落石與NSC 橋墩之間的峰值碰撞力分別為27.56×103kN、32.92×103kN 與39.59×103kN；落石與UHPC橋墩之間的峰值碰撞力分別為47.76×103kN、57.37×103kN 與66.38×103kN。落石直徑相同的條件下，UHPC 橋墩的碰撞力比NSC 橋墩平均高71.7%。這是因為UHPC 橋墩的剛度比NSC 橋墩更高，導致UHPC 橋墩的碰撞力更大。

2.2 損傷模式

如圖4 所示為落石直徑為3.5 m 時UHPC 空心截面墩的損傷云圖。由圖4 可知，落石與空心截面墩剛構橋發生碰撞時，損傷主要集中在被撞墩與相鄰橋墩，且被撞墩的損傷程度遠高于相鄰橋墩。因此，為節省篇幅，后續分析中僅展示出被撞墩的損傷情況。圖5 給出了落石直徑為3.5 m 時NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷過程。圖6 給出了不同落石直徑條件下NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷差異，圖中還給出了鋼筋的變形云圖。

圖4 橋梁整體損傷（UHPC 空心截面墩，d=3.5 m）

圖5 NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷過程（d=3.5 m）

圖6 不同落石直徑條件下NSC 與UHPC 空心截面墩的損傷模式對比

由圖5 可知：NSC 與UHPC 空心截面墩遭受落石沖擊時，二者損傷模式接近，且損傷程度隨時間逐漸加深。當T=0.03 s 時，迎撞面出現明顯的橢圓形壓潰損傷區域。這是因為落石在接觸橋墩表面時，其沖擊應力波以接觸點為圓心等速向四周傳播。由于應力波在水平面上的傳播路徑發生轉折，導致損傷區域演化為橢圓形。T=0.06 s時，應力波沿橋墩豎向傳播，引起橋墩迎撞面出現一條細長的受拉損傷區域。該細長損傷區域向下延伸至橋墩基礎部位，向上延伸至墩頂，有貫穿橋墩全高的趨勢。與此同時還可觀察到橋墩側面出現三角形拉壓復合損傷區域。這是由于應力波由迎撞面傳播至橋墩側面所引起的。隨時間推移，橋墩變形進一步增加，在T=0.21 s 時，NSC 與UHPC 橋墩上半部分均出現受彎損傷區域。對于橋墩墩底與墩頂部位，NSC 與UHPC 橋墩均出現受剪損傷。這是因為剛構橋上部結構質量大，對橋墩的約束作用近似于固定支座。在此條件下，橋墩可近似看作兩端固定的超靜定梁。當橋墩受到落石的沖擊作用時，橋墩兩端支座受到巨大的剪力，導致受剪損傷發生。

由圖6 可知：NSC 與UHPC 橋墩的損傷程度均隨落石直徑增加，UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能顯著高于NSC 空心截面墩。具體體現在：

（1）不同尺寸落石沖擊條件下，兩種空心截面墩均出現迎撞面壓潰損傷、墩底剪切損傷、橋墩背面損傷及上半部分受彎損傷等主要損傷模式。然而，UHPC 空心截面墩的損傷程度遠低于NSC 空心截面墩。

（2）UHPC 空心截面墩的鋼筋損傷顯著低于NSC橋墩。對于NSC 橋墩，其鋼筋網在落石直徑為3.0 m 時就已發生部分斷裂，且變形較大。當d=4.0 m 時，NSC橋墩的鋼筋全部被落石擊穿，鋼筋網出現一個圓形鏤空區域，這意味著NSC 橋墩的迎撞面已喪失抗變形能力。相比之下，UHPC 橋墩鋼筋網的完整度顯然更加優異。雖然UHPC 橋墩的鋼筋網同樣出現了明顯的變形，且少部分鋼筋發生斷裂。但其鋼筋網仍具有較高的完整性，意味著UHPC 空心截面墩還具有相當的抗沖擊能力。

3 結論

該文主要結論如下：

（1）落石與空心截面墩之間的撞擊力屬于脈沖荷載，碰撞力持時不到0.1 s 即下跌至0。落石撞擊UHPC 空心截面墩時產生的峰值碰撞力顯著高于NSC 橋墩。落石直徑相同的條件下，UHPC 橋墩的峰值碰撞力比NSC 橋墩平均高71.7%。

（2）空心截面墩主要損傷模式為：被撞部位出現明顯的橢圓形壓潰損傷區域；迎撞面豎向出現一條細長的受拉損傷區域；橋墩側面出現三角形拉壓復合損傷區域；橋墩上半部分均出現受彎損傷區域；墩底與墩頂出現受剪損傷。

（3）UHPC 空心截面墩的抗落石沖擊性能顯著高于NSC 空心截面墩。具體體現在：不同尺寸落石沖擊條件下，UHPC 空心截面墩的損傷程度遠低于NSC 空心截面墩，UHPC 空心截面墩的鋼筋損傷顯著低于NSC 橋墩。