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浅谈墩式结构冲击作用力学性能模拟研究

摘要：采用ANASYS数值模拟的方法，模拟墩式结构冲击力及位移、应变情况；采用国内最为先进的超高落锤冲击试验系统，在水平碰撞冲击荷载作用下模拟车与墩体碰撞；比对分析试件的数值模拟结果和试验模拟结果，得到不同配筋率下墩式结构抗撞击力学性能规律。

关键词：数值模拟；墩体结构；水平碰撞；验证模拟

随着航运交通量的不断增大导致船体或车辆撞击墩体结构的事故频发，2007年6月15的九江大桥坍塌事件，2013年8月17日本人家乡的五华锡坑大桥坍塌事件，无不警示着墩体结构受损会造成巨大经济损失和人员伤亡。虽然本人专业方向为房建，但从家乡的锡坑大桥被沙船冲击坍塌后，对桥梁的研究就未曾停止过。墩式结构冲击力学性能，应该在设计时就予以充分的考虑，以保证墩体结构具有足够的抗冲击能力减小其在遭遇此类事故的损伤。

目前关于墩体结构冲击的有限元数值模拟分析法，其主要基于ABAQUS、ANSYS/LS-DYNA等[1]平台的有限元分析；有限元数值模拟分析法。Sha等[2，3]通过数值模拟分析了车辆重量和冲击速度对冲击力的影响，得到了车辆重量和冲击速度对冲击力的影响作用关系。徐林枫、涂红轩等[4、5]研究了墩体结构冲击力计算方法。有限元数值模拟分析法具有成本低、试验反复性高、且各工况因素便于施加的优点，但计算工程量大，耗费时间长，在实际工程应用中具有一点局限性。而模型试验法，其主要基于相似性与原型结构模型替代原理，来对被研究对象进行试验研究。Remennikov和Kaewunruen[6]对钢筋混凝土柱的抗冲击性能进行了试验研究，介绍了四量级钢筋混凝土柱在静力和冲击荷载作用下的受力性能。郭远等[7]做了墩体结构水平撞击的模型试验，以墩体结构水平撞击理论为基础，对墩体结构的水平低速撞击问题进行了模型试验应用回归拟合的数学办法提出了斟酌程度撞击动力影响的墩体结构截面动力抗弯强度适用的计算公式。模型试验能够真实的得到结构的受力情况，但其耗资巨大，且试验中的诸多因素较难把握，所以大规模进行试验具有较大难度。

上述两种墩体结构冲击碰撞的研究方法，都有各自的优点及局限。而国内外少有学者采用将两种方法结合方法来研究墩式结构的冲击碰撞问题，本文首先采用有限元数值模拟及模型试验验证的方法来研究墩式结构冲击碰撞作用及响应，而后对两种研究方法结果进行比对，得到不同配筋率下墩式结构抗撞击力学性能，旨在对墩式结构的抗冲击设计和评估提供技术支持。

1.有限元模拟

1.1模型单元选择

有限元建模时，模型中混凝土以及冲击小车选择实体单元SOLID164，箍筋以及纵向普通钢筋选择梁单元BEAM161。图1为实体单元SOLID164、梁单元BEAM161以及线单元LINK160示意图。

图1单元模型

1.2材料模型

有限元模拟中所选择钢筋混凝土材料、钢筋材料本构模型和冲击钢体材料模型作为材料模型。

（1）混凝土材料本构模型

在模拟车与墩体结构撞击的过程中，对混凝土材料的本构模型的选择十分重要，LS-DYNA材料库为撞击模拟可设置多种本构模型，本文的模拟设置弹塑性损伤帽盖模型，因为在船桥水平冲击的有限元分析中，使用该模型对塑性流动处理的方式，能够更好的模拟船桥冲击过程中混凝土的损伤变化并使计算结果更加精确。

（2）钢筋材料本构模型

对于模拟中使用的普通钢筋，ANSYS/LS-DYNA软件中可选的塑性材料模型很多，但普通钢筋一般采用塑性随动强化模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)。

1.3网格划分与连接方式

由于在本文所需建立的模型试件几何形状较为规则，所以采用映射划分法来划分网格建立模型较为可靠，在对模型进行划分时适当控制网格的尺寸。考虑到冲击过程中墩体结构模型的顶部、冲击部位和模型底部存在应力分布集中且较大，因为需要在网格划分时将此三个部位的网格进行密化，如图2所示。

若结构钢筋的数目较多且分布复杂，则可以采用整体式进行分析。若结构较为简单，为获得较高是计算精度，则可以采用分离式进行分析。

图2冲击模型示意图

1.4动力接触分析与模型沙漏控制

在模型建立过程中需对冲击小车和墩体结构模型、钢筋和混凝土之间进行接触定义。在对LS-DYNACONTACTINTERFACE进行编辑，选取ASTS自动面对面接触冲击小车、纵筋与箍筋为接触面组元，而混凝土需定义成接触目标面组元，其静摩擦系数定义为0.3，其他参数取默认值。

对于墩式结构底座，约束面为墩体结构底座面，约束其六个自由度。对于墩体结构顶部，加载面为墩体结构顶部，施加250KN的作用力，如图3图4所示。

2.冲击试验模拟

2.1钢筋混凝土墩体结构模型设计

为了验证上文数值模拟结果的准确性，所以以双柱式圆形墩体结构作为试验原型，采用1/5的缩尺比例制作墩体结构模型，设计了5根钢筋混凝土圆形墩体结构模型试件进行冲击模型试验。试件高为2200mm，直径为340mm，试件底座预留四个孔用来安装高强螺栓固定墩体结构试件。试件均用C40混凝土，纵筋均为HRB335钢筋，箍筋为直径8mm的HPB300钢筋，实验柱采用对称配筋，钢筋采用焊接施工方法，图5为M2-20试件的配筋图。试件设计参数如表2，钢筋材料性能如表3，混凝土力学性能如表4。

2.2试验使用设备

试验采用国内最为先进的多功能超高重型落锤冲击试验系统，数据采集使用美国NI数据采集系统。冲击小车在水平轨道内移动，碰撞力通过撞击体头部安置压力传感器进行测量，小车的总重为1.2t，如图6所示。试件轴压力设计为250KN，轴压力由千斤顶施加，如图7所示，试验中可保持轴压力稳定。

图5试件M2-20示意图（尺寸单位：mm）

试验落锤质量设计为196kg，落锤（如图8所示）下落牵引小车撞向试件，通过改变落锤提升高度实现小车以设计速度撞击试件，如图9。在轨道末端的激光测速系统，可以测量小车在撞击前一瞬间的速度。

图6冲击小车图7被撞击试件图8落锤试验机

图9冲击系统示意图

2.3位移，应变测点的布置

试验一共设计了6个钢筋应变计和4个混凝土应变计，如图10所示。位移测点设计分布如图11所示。

3.两种模拟结果比对分析

3.1冲击力结果对比分析

由表5可知，有限元模拟与试验模拟有较好的一致性；在相同冲击能量条件下，模型试件的纵筋配筋率逐渐增大，冲击力模拟峰值有增大的趋势，但是增大量较小。

3.2位移结果对比分析

由表6可知，有限元模拟与试验模拟有较好的一致性；在相同冲击能量条件下，模型试件的纵筋配筋率逐渐增大，1号位移模拟峰值逐渐减小，对上文纵筋配筋率在2.77％-4.33％范围内增加,1号位移逐渐减小结论进行了验证。

3.3应变结果对比分析

由表7可知，有限元模拟与试验模拟有较好的一致性；在相同冲击能量条件下，纵筋为普通钢筋模型试件的纵筋配筋率逐渐增大，3号钢筋应变模拟峰值逐渐减小。

4.结论

本文对5根不同纵筋配筋率的钢筋混凝土墩体结构试件进行了多次横向冲击模拟研究，通过分析不同纵筋配筋率的试件在相同冲击能量作用下的冲击力、位移、应变情况，主要结论如下：

1.有限元模拟与试验模拟有较好的一致性。

2.纵筋配筋率在2.77％-4.33％范围内增大，试件冲击力有增大的趋势，但影响不明显。

3.纵筋配筋率在2.77％-4.33％范围内增加，试件顶端位移位移峰值减小，这说明纵筋配筋率增大能有效减小顶端位移峰值。

4.纵筋配筋率在2.77％-4.33％范围内增大，冲击面根部钢筋应变峰值减小，这说明纵筋配筋率增大能有效减小冲击面根部钢筋应变峰值。

参考文献

[1]ShaY,HaoH.Nonlinearfiniteelementanalysisofbargecollisionwithasinglebridgepier[J].EngineeringStructures,2012,41(3):63-76.

[2]ShaY,HaoH.Laboratorytestsandnumericalsimulationsofbargeimpactoncircularreinforcedconcretepiers[J].EngineeringStructures,2013,46(1):593-605.

[3]徐林枫,卢文良.桥墩撞击力计算方法探讨[J].科技创新导报,2013,(03):110.

[4]涂红轩.桥墩撞击力计算方法及应用[J].公路交通科技(应用技术版),2008,(02):110-111.

[5]A.M.Remennikov,S.Kaewunruen.Impactresistanceofreinforcedconcretecolumns:experimentalstudiesanddesignconsiderations.19thAustralasianConferenceontheMechanicsofStructuresandMaterials,Christchurch,NewZealand(2006),pp.817–824.

[6]郭远;钢筋混凝土桥墩水平撞击的模型试验与数值研究[D];华南理工大学;2014年