西安市市政建设（集团）有限公司
摘要：型钢混凝土结构在服役过程中，往往容易遭受到车辆冲击作用。已有相关研究主要将冲击体简化为理想刚性撞击头分析此类问题，而实际冲击过程中车辆会发生变形，吸收了部分初始冲击动能减缓冲击作用对结构的破坏。因此，本文分别建立刚性冲击体和重型车辆精细化模型碰撞冲击型钢混凝土柱的数值模型，对比分析刚性冲击和柔性冲击对型钢混凝土柱动力响应的影响。研究表明：在柔性冲击中，由于冲击体的变形耗能，以及冲击体变形后对型钢混凝土柱的缓冲保护作用，导致型钢混凝土柱受到的冲击损伤、最大冲击力和最大水平位移要小于相同条件下的刚性冲击。
1. 绪论
型钢混凝土结构（Steel Reinforced Concrete，SRC）是指在混凝土中配置型钢（轧制或焊接成形）、纵向钢筋和箍筋形成的一种新型加筋混凝土结构。在其服役过程中，除遭受地震作用外，还可能遭受冲击荷载作用，例如建筑物遭受车辆撞击作用。1993年，美国亚拉巴马州的一辆水泥搅拌拖车撞断高架桥桥墩，导致高架桥两跨倒塌[1]；2004年，一辆装载压缩天然气货车在美国德克萨斯州行驶时（图1a），撞击直径为30英寸的桥墩，造成桥墩完全破坏，导致交通暂时中断[1]；2009年，一辆半挂罐车辆撞击湖南省横郴资桂公路的高架桥（图1b），造成桥墩破坏[2]。由此可见，结构在车辆冲击作用下有可能发生严重的损伤甚至完全丧失承载能力，给人们的生命财产造成重大损失。
图1 车辆撞击桥墩事故
在目前研究冲击作用下结构的动力性能时，许多研究假设冲击体的刚度远高于结构，忽略冲击体的变形，将冲击体简化为理想刚性撞击头。然而，在房屋建筑、桥梁等实际工程结构服役过程中，往往容易遭受到车辆冲击，冲击过程中车辆会发生变形，吸收了部分初始冲击动能减缓冲击作用对结构的破坏。因此，本文将分别建立刚性冲击体和重型车辆精细化模型碰撞冲击型钢混凝土柱的数值模型，对比分析刚性冲击和柔性冲击对型钢混凝土柱动力响应的影响。
2. 车-柱模型建立
2.1 车辆模型
本文采用Misesl公司开发的东风货车（DF-Truck）有限元模型（图2）作为撞击车辆[3]。该模型原型为我国典型的重型四轴货车-东风货车，总长度为11.88m，宽度为2.46m，高度为4.04m，满载时质量可达50t。该车辆模型有效性已经由Misesl公司通过刚性墙撞击模拟得到了验证。本次分析中车辆冲击质量为20t，冲击速度为20m/s。
2.2 型钢混凝土柱模型
型钢混凝土柱截面尺寸为800mm×1000mm×5000mm（图3），混凝土采用MAT_145#模型模拟[4]，型钢和钢筋采用MAT_3#模型模拟[5]。MAT_145#模型能够反映碰撞冲击过程中混凝土材料的动力特性，包括达到峰值强度前的应变强化、达到峰值强度后的应变软化以及应变率效应，适用于在冲击问题中模拟土体、混凝土和岩石等岩土材料。MAT_3#模型为塑性随动强化模型适用于各向同性材料，且综合考虑了随动硬化和应变率效应的影响。其中，型钢含钢率为0.57%，配筋率和配箍率分别为4.15%和0.89%，轴压比为0.3，详细设计参数见图3。有限元模型中网格尺寸为5mm。
图2 车辆模型 图3 型钢混凝土柱
2.3 车-柱接触碰撞算法
本文选用LS-DYNA中ASTS（自动面面接触）关键字来定义车辆与型钢混凝土柱的碰撞接触，该关键字基于罚函数法[5]。罚函数法的基本原理是将两相撞物体分别定义为主体和从体，其接触面分别称为主面和从面。罚函数法在碰撞冲击模拟中，在每一个时间步检查各从节点是否穿透主面，如果没有穿透则不做任何处理。如果存在穿透，则在该从节点和接触点之间引入一个界面法向接触力，其大小和穿透深度、主面刚度成正比，定义如下：
图4 车-柱装配模型
3. 结果对比分析
刚性冲击和柔性冲击的动力响应分别见图5和图6。可以看出，在相同条件下，由于柔性冲击过程中车辆发生较大的变形耗能，实际作用到型钢混凝土柱上的冲击能量小于初始动能，因此柔性冲击的最大冲击力（3.84MN）远小于刚性冲击的最大冲击力（64.5MN），柔性冲击所造成的构件最大位移（1.22mm）也远小于刚性冲击的最大位移（200mm）。刚性冲击中由于冲击体为刚性，冲击中实际上仅存在一次碰撞，因此其冲击力时程曲线符合典型的脉冲荷载，即有明显的峰值段和冲击力衰减的平台段，该时程曲线常见于落锤冲击试验结果。而实际重型车辆碰撞冲击过程中，依次存在保险杠、汽车发动机以及车厢货物碰撞等多次冲击，因此其冲击力时程曲线表现出多个峰值阶段，而且由于冲击的依次发生和车体变形，其冲击时间也远大于刚性冲击。柔性冲击中位移时程曲线整体表现出正弦波形，而由于车辆和构件相对刚度相差较大，其位移时程曲线整体表现出明显的高频振动。
图6 柔性冲击的动力响应
图7和图8分别为数值模型计算和试验、事故报道中的刚性冲击和柔性冲击的构件损伤对比。其中，在刚性冲击车的碰撞冲击下，构件沿冲击作用点下缘斜向下至柱底形成一道明显的斜裂缝。
图8则来自于美国一钢筋混凝土桥墩在车辆碰撞冲击下的损伤形态，该桥墩在车辆碰撞冲击作用下并未形成一明显剪切斜裂缝，损伤而是沿冲击面开始向柱背面发展，这与图7b中的型钢混凝土柱在车辆冲击下的损伤形态较为一致。这主要是因为柔性冲击中由于车辆等柔性冲击体的变形，导致构件的冲击接触面积扩大，而冲击能量也因车辆的变形而被吸收一部分，从图7c可以看出，变形后的车头相当于在构件表层形成一柔性保护层，能有效减缓后续车辆货物的冲击作用。
图8 试验和事故中的损伤形态对比
4. 结论
本章采用精细化的重型车辆模型，研究了刚性冲击和柔性冲击对型钢混凝土柱动力响应的影响，得出的主要结论如下：
（1）在柔性冲击中，由于冲击体的变形耗能，以及冲击体变形后对型钢混凝土柱的缓冲保护作用，导致型钢混凝土柱受到的冲击损伤、最大冲击力和最大水平位移要小于相同条件下的刚性冲击。
（2）型钢混凝土柱在刚性冲击下表现出明显的剪切破坏特征，在冲击部位会形成显著的剪切斜裂缝。而在柔性冲击中，构件并未形成剪切破坏面，而是在冲击部位发生混凝土保护层剥落等局部破坏形态。
参考文献：
[1]Buth CE，Williams WF，Brackin MS，et al. Analysis of large truck collision with bridge piers：phase 1.Report of guidelines for designing bridge piers and abutments for vehicles collisions. 2010，Technical Report. Texas Transportation Institute，Texas.
[2][15]京华时报. 汽车撞断桥墩京珠高速中断.
http：//epaper.jinghua.cn/html/2009-04/18/content_412171.htm
[3]http：//www.misesl.com
[4]Schwer L E，Murray Y D . A three-invariant smooth cap model with mixed hardening[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1994，18（10）：657-688.
[5]LS-DYNA Keywords user’s manual，Version 971［M］. Livermore Software Technology Corporation，California：2013.
论文作者:祁立斌
论文发表刊物:《房地产世界》2019年1期
论文发表时间:2019/5/20
标签：型钢论文; 刚性论文; 混凝土论文; 车辆论文; 柔性论文; 模型论文; 桥墩论文; 《房地产世界》2019年1期论文;