鋼筋混凝土橋墩抗車輛撞擊機理研究

鋼筋混凝土橋墩抗車輛撞擊機理研究統(tǒng)計分析表明,車輛撞擊已成為世界范圍內(nèi)橋梁破壞的重要原因之一。公路和城市橋梁交通量大,環(huán)境復(fù)雜,車輛撞擊威脅尤為明顯。橋墩作為橋梁的主要豎向承重構(gòu)件,在車輛撞擊橋梁事故中,一旦發(fā)生撞擊損傷或破壞,將可能引發(fā)橋梁的整體坍塌,造成非常嚴重的生命財產(chǎn)損失。鋼筋混凝土(RC)橋墩是公路和城市橋梁最常用的橋墩結(jié)構(gòu)形式，對其車輛撞擊問題進行深入研究具有重要的工程價值和理論意義。本文采用縮比模型試驗、數(shù)值模擬和理論模型相結(jié)合的方法，對RC橋墩抗車輛撞擊機理進行了深入研究，主要創(chuàng)新性工作如下:(1)考慮軸力和車頭壓潰等因素的影響，開展了車輛撞擊單柱式RC橋墩的縮比模型試驗。設(shè)計了模擬車頭壓潰行為的薄壁鋼管緩沖器，采用水平撞擊方式進行側(cè)向柔性撞擊加載，得到了有軸力RC柱在彈性撞擊和損傷撞擊下的動態(tài)響應(yīng)過程和變形損傷模式;首次開展了撞擊受損RC柱的二次撞擊試驗，結(jié)果表明:撞擊受損RC柱在二次撞擊作用下的響應(yīng)過程和變形損傷模式與完好試件基本一致;在首次撞擊彎曲損傷程度不大的情況下,RC柱具有較好的抗二次撞擊性能。(2)深入系統(tǒng)地研究了有軸力RC柱在側(cè)向柔性撞擊作用下的動態(tài)響應(yīng)及其主要影響因素，揭示了其破壞機理和耗能機制，提出了撞擊破壞模式的判別方法。a)彎曲破壞和剪切破壞是有軸力RC柱在側(cè)向柔性撞擊作用下的兩種主要破壞模式;按靜載彎曲破壞設(shè)計的RC柱在撞擊荷載下可能轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?，慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)是破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的主要原因。b)撞擊荷載下有軸力RC柱的彎曲破壞以柱底塑性鉸區(qū)的受拉縱向鋼筋屈服和受壓區(qū)混凝土壓縮破壞為重要標志，破壞過程可分為準彈性階段、帶裂縫工作階段、屈服階段和破壞階段;撞擊荷載下的彎曲破壞機理與靜載條件下基本相同,均為受拉縱向鋼筋屈服之后的受壓區(qū)混凝土壓縮破壞;撞擊荷載下的RC柱抗彎承載力高于靜載情況，并可采用柱底截面最大彎矩作為RC柱在撞擊荷載下的抗彎承載力評價指標;撞擊荷載下的抗彎承載力和撞擊力峰值隨縱筋配筋率和軸力的增加而增大，但箍筋配筋率對RC柱動力響應(yīng)的影響較小。c）撞擊荷載下有軸力RC柱的剪切破壞過程可分為塑性鉸形成階段、斜裂縫發(fā)展階段、箍筋屈服階段和破壞階段;撞擊荷載下的剪切破壞機理為柱底塑性鉸形成之后的斜裂縫擴展和箍筋斷裂，與靜載情況有明顯區(qū)別;撞擊荷載下的RC柱抗剪承載力比靜載情況大幅提高,可采用撞擊點截面的最大剪力作為RC柱在撞擊荷載下的抗剪承載力評價指標。d）撞擊物變形耗能是RC柱側(cè)向柔性撞擊的主要耗能機制;對于彎曲破壞模式,塑性鉸區(qū)的受拉縱筋應(yīng)變耗能和混凝土壓縮應(yīng)變耗能是RC柱自身的主要耗能機制;在剪切破壞模式下,RC柱的自身耗能能力十分有限。e）基于數(shù)值模擬結(jié)果和理想剛塑性模型，提出了RC柱在撞擊荷載下的抗力計算方法,建立了RC柱撞擊破壞模式判別方法,計算結(jié)果與試驗及數(shù)值模擬吻合較好。（3）采用數(shù)值模擬和理論分析方法對卡車撞擊雙柱式RC橋墩進行了深入研究，分析了卡車破壞特征和雙柱式RC橋墩的動態(tài)響應(yīng);建立了撞擊力計算模型和橋墩彈性響應(yīng)計算模型,研究了樁周地基土剪切波速、軸力、樁徑和樁長對橋墩彈性撞擊響應(yīng)的影響。a）卡車破壞為漸進式壓潰，其變形剛度遠小于RC柱，進行撞擊力分析時,可將橋梁墩柱簡化為剛性柱;橋墩損傷主要發(fā)生在車-橋接觸區(qū)域撞擊點背面和系梁連接部位，系梁與墩柱連接部位應(yīng)予以加強;撞擊方向?qū)ψ矒袅Φ挠绊懞苄?，但縱橋向撞擊下的橋墩變形明顯大于橫橋向撞擊。b）基于剛性柱假定，考慮卡車車身構(gòu)造特點，建立了撞擊力計算模型,通過與數(shù)值模擬結(jié)果比較表明，本文模型能較好地反映撞擊力的主要特征量。C）基于Euler-Bernoulli梁理論和Winkler地基模型，建立了考慮地基土、軸力和相鄰墩柱影響的橋墩彈性響應(yīng)計