琚利平，王銀輝，陸曉宏，單繼棟

(1. 浙江省交通集團檢測科技有限公司，浙江 杭州 310012； 2. 浙大寧波理工學院 土木建筑工程學院，浙江 寧波 315100；3. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 4. 寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

滾石、落物或車輛側(cè)翻等事故會對公路構(gòu)造物、橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊作用，導致構(gòu)造物和橋梁出現(xiàn)不同程度的整體或局部損傷[1-3]。行車落物指橋面行駛車輛所載意外墜落的重型貨物[4]，如大型鋼材、構(gòu)件、大型軸承、甚至側(cè)翻的集裝箱。行車落物落地速度一般在5～7 m/s，沖擊質(zhì)量較大，是典型的沖擊荷載。沖擊荷載作用下，由于混凝土應變率敏感性、慣性力效應和局部非線性塑性變形等原因，破壞形態(tài)和破壞機理與靜載和普通動載作用存在較大差異[5-7]。

國內(nèi)外學者對沖擊作用下，鋼筋混凝土梁的動力響應和破壞特征進行了較為深入的研究。沖擊作用下，鋼筋混凝土梁的破壞過程分為局部響應和整體響應兩個階段[5,8]。局部響應階段是指，在沖擊作用前期較短時間內(nèi)沖擊力迅速達到峰值，而動力響應未傳遞到支座，結(jié)構(gòu)局部剪力較大，往往引起剪切或彎剪破壞；在整體響應階段，動力響應已經(jīng)傳遞到結(jié)構(gòu)大部或全部，沖擊力逐漸減小，為常規(guī)結(jié)構(gòu)振動。所以，沖擊作用與普通動載作用區(qū)別主要在于局部響應階段。隨著沖擊速度增大，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在前期局部響應階段的作用更加突出，剪切機制占主導性，如沖擊速度大于15 m/s會產(chǎn)生沖切破壞[9-12]?？梢?，常規(guī)按靜載和普通動荷載效應設計的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在沖擊荷載作用下，往往在局部出現(xiàn)抗剪能力不足導致的破壞。

國內(nèi)外關于沖擊荷載作用下，鋼筋混凝土梁破壞特征的研究，主要集中在簡單矩形截面梁，針對箱梁結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的損傷破壞形式及機理研究還很少。筆者結(jié)合有限元數(shù)值模擬和實際調(diào)查，開展鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在行車落物等沖擊作用下的破壞形態(tài)和損傷破壞機理研究，為進一步開展提升沖擊荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)安全性能研究提供基礎。

1 箱梁受沖擊后損傷形態(tài)

寧波某匝道橋梁的一聯(lián)四跨混凝土連續(xù)箱梁，上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室等高度箱梁，梁高1.5 m，頂板寬10.5 m，底板寬6.2 m，頂板厚24 cm，底板厚24 cm，腹板厚20～50 cm，如圖1。2018年4月28日，一輛載有鋼卷的半掛牽引車在匝道第五聯(lián)上行駛時，因車身側(cè)翻，所載鋼卷沖擊于橋面上，引起第17跨(16#～17#墩)橋面和箱梁嚴重損傷。

圖1 受損橋梁布置(單位：cm)Fig. 1 Damaged bridge layout

失事車型為半掛車，平板距地面1.5 m左右，跌落鋼卷重2 t，落地位置為第17跨橋面，橫向位于護欄內(nèi)側(cè)2 m左右，縱向位于跨中附近，如圖2。

圖2 行車落物沖擊橋梁位置Fig. 2 Position of bridge impacted by falling objects

事故導致箱梁產(chǎn)生嚴重的裂縫，如圖3、圖4，主要為翼緣板橫縱向交織裂縫和腹板斜裂縫。箱梁裂縫開展情況如表1。

圖3 第17跨(16#～17#橋墩)右側(cè)腹板和翼緣板裂縫分布(展開)Fig. 3 Expansion diagram of crack distribution on right web and flange plate of span No.17 (pier No.16—No.17)

圖4 裂縫照片F(xiàn)ig. 4 Photograph of fracture

表1 裂縫分布Table 1 Fracture distribution

由裂縫情況可見，鋼卷沖擊作用導致箱梁產(chǎn)生三類裂縫:①翼緣板上沖擊作用位置四周的剪切裂縫；②翼緣板根部上下貫通的剪切裂縫；③靠近腹板位置自沖擊點附近向支座延伸的彎剪八字形斜裂縫。初步分析，沖擊作用首先造成箱梁翼緣板作用點附近形成四周分布的局部剪切破壞，然后造成翼緣板整體根部剪切破壞及箱梁腹板的彎剪破壞。另外，該橋梁后期加固時發(fā)現(xiàn)，腹板斜裂縫底部裂縫向底板內(nèi)發(fā)展趨勢。

2 有限元分析

筆者以研究梁體損傷破壞狀態(tài)為目標，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，建立力學模型進行數(shù)值模擬。由于導致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的落物一般為剛度較大的大質(zhì)量物體，落物落地后本身可能產(chǎn)生一定變形，但一般不會散體，吸能程度較少，為簡化分析過程，筆者將落物鋼卷按實際尺寸及質(zhì)量模擬成剛體。同樣，為簡化計算并規(guī)整網(wǎng)格劃分，將箱形截面等效成翼緣板等厚和腹板等厚形式。

2.1 建模參數(shù)

落物鋼卷、混凝土和支座墊板均采用Solid單元，鋼筋采用Beam單元。其中鋼卷和支座墊板采用*Mat_ RIGID剛體材料模型，混凝土和鋼筋分別采用*Mat_CSCM CONCRETE、*Mat_PLASTIC _KINEMATIC塑性材料模型，如表2。

表2 有限元材料模型明細Table 2 Details of finite element material model

參考文獻[4]，梁體混凝土本構(gòu)模型采用MAT-159-CSCM連續(xù)面蓋帽模型，混凝土設計強度為C50。該材料模型能將混凝土壓縮、拉伸、破壞響應過程分為彈性、塑性及損傷軟化幾個階段，能很好考慮材料的硬化、損傷和應變率相關性?；炷敛牧夏Ｐ秃弯摻畈牧夏Ｐ椭饕獏?shù)見表3。

表3 材料參數(shù)表Table 3 Material parameter table

鋼筋與混凝土采用共節(jié)點建模，不考慮粘結(jié)滑移。落物與梁體、梁體與支座墊板之間采用自動面面接觸(*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE)，縱筋、箍筋與混凝土為防止自身穿透采用自動點面接觸(*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE)方式，摩擦系數(shù)為0.3。

LS-DYNA采用單點高斯積分，存在零能模態(tài)。為控制沙漏能，計算中設置了該軟件專門用于沖擊計算的剛性計算公式4，其中沙漏系數(shù)設為0.03。落物設置為帶初速度沖擊的形式，落物與梁體之間初始距離10 mm，落物鋼卷質(zhì)量2 000 kg，沖擊速度為5.77 m/s(按高度自由落體計算得到)。

2.2 數(shù)值分析

模型分為四個部分(PART)：落物、梁體、普通鋼筋和支座墊板，如圖5。

圖5 模型結(jié)構(gòu)Fig. 5 Model structure

2.3 工況分析

事故現(xiàn)場鋼卷掉落情況較為復雜，過程無法精確模擬。為了研究各種可能發(fā)生的落物沖擊作用下箱梁損傷破壞情況，筆者以現(xiàn)場情況為依據(jù)，共設定5種工況分別進行分析，如表4、圖6。其中工況2包含兩種狀況，分別為落物撞擊作用點為中腹板和邊腹板頂，縱向作用位置為跨中。

圖6 荷載作用位置Fig. 6 Schematic diagram of loading position

表4 分析工況說明Table 4 Description of analysis conditions

3 箱梁沖擊破壞特征

沖擊作用下，結(jié)構(gòu)響應局部化特點明顯，不同作用位置下，破壞形態(tài)和特征存在較大差異，筆者按不同沖擊作用位置特征分析箱梁破壞形態(tài)。

3.1 沖擊力時程曲線

沖擊作用時程曲線是沖擊作用響應的重要參數(shù)，各個工況(不同沖擊作用位置)時沖擊力時程曲線如圖7。

圖7 不同荷載工況下的沖擊力時程曲線Fig. 7 Time-history curve of impact load under different load conditions

由圖7可知，工況1、3、4，沖擊力峰值較小，且持續(xù)時間較短。工況2沖擊力峰值較大，且持續(xù)時間較長。

頂板和翼緣板均為板結(jié)構(gòu)，沖擊作用下首先產(chǎn)生作用點附近板結(jié)構(gòu)的局部動力響應，由于頂板和翼緣板抵抗豎向變形剛度較小，導致板結(jié)構(gòu)形成較大變形，乃至出現(xiàn)損傷破壞，故沖擊力峰值較小。腹板抵抗豎向變形剛度大，沖擊力峰值較大。

由此可知，落物作用于箱梁橫向不同位置時，沖擊力峰值存在較大差異，動力響應局部化特征明顯。落物作用于頂板、翼緣板時，沖擊力峰值遠小于作用于腹板位置，且作用位置越靠近腹板，豎向變形剛度越大，沖擊力峰值越大。

3.2 塑性應變區(qū)域

沖擊作用于箱梁不同位置時，動力響應局部化特征明顯。當落物作用于頂板、翼緣板及腹板上時，首先會在作用點附近產(chǎn)生變形和應變，甚至于損傷破壞，所以動力響應無法用全截面內(nèi)力和抗力來分析，而只能用應力-應變進行分析。在沖擊動力學問題的數(shù)值模擬中，一般用損傷后的塑性應變云圖分布進行描述。筆者將利用混凝土的塑性應變區(qū)域，描述箱梁不同位置的破壞形態(tài)。

3.2.1 落物沖擊對頂板或翼緣板影響

當落物沖擊作用于頂板或翼緣板時，首先在作用點附近產(chǎn)生環(huán)形的塑性應變區(qū)域，沖擊作用時間2 ms時，作用位置附近的塑性應變區(qū)平面圖如圖8(圖中灰白色的區(qū)域為產(chǎn)生塑性應變區(qū)域，顏色越白亮，說明塑性應變越大，損傷破壞越嚴重)。

由圖8可知：①落物沖擊作用于翼板或頂板后，作用位置附近出現(xiàn)環(huán)狀的塑性應變區(qū)，這與圖3翼緣板上4條裂縫圍成矩形現(xiàn)象一致；②由于翼緣板作用位置一側(cè)靠近邊腹板，在翼緣板根部出現(xiàn)較大的塑性應變區(qū)，這同樣在圖4(b)的根部裂縫可證明；③由于板在兩個方向支撐條件不同，翼緣板上塑性應變區(qū)域為不對稱環(huán)狀，腹板的存在阻止了塑性應變向區(qū)域另一側(cè)頂板發(fā)展。

圖8 有效塑性應變Fig. 8 Effective plastic strain diagram

3.2.2 落物沖擊對腹板影響

分析工況2與工況3對腹板的影響。圖9分別為工況3中腹板和邊腹板的塑性應變立面圖。

由圖9可知：①當落物沖擊作用腹板，或翼板靠近腹板區(qū)域，均會造成腹板產(chǎn)生沿梁長方向呈八字形分布的斜向塑性應變區(qū)，這與圖5腹板上八字形分布裂縫，及圖6(a)斜裂縫現(xiàn)象一致，其他腹板未發(fā)現(xiàn)塑性應變區(qū)；②腹板跨中位置下緣塑性應變發(fā)展不明顯，可見因彎曲導致的腹板下緣裂縫較少，落物沖擊作用下腹板主要以斜截面破壞為主；③工況3腹板的塑性應變區(qū)發(fā)展較工況2小，可見落物沖擊直接作用于翼緣板，翼緣板產(chǎn)生剪切破壞消耗了部分沖擊動能，減緩了腹板的破壞程度。④腹板出現(xiàn)塑性應變時間為6～7 ms，頂板、翼緣板出現(xiàn)塑性應變時間為2 ms左右，說明動力響應由頂板至腹板存在傳遞時間差。

圖9 邊腹板有效塑性應變Fig. 9 Effective plastic strain diagram of edge web

工況1由于作用位置距離腹板較遠，沖擊作用對腹板的影響進一步減小，限于篇幅，筆者未列這兩種工況下腹板產(chǎn)生的塑性應變。

3.2.3 落物沖擊對底板影響

落物沖擊作用導致腹板產(chǎn)生斜裂縫后，繼續(xù)向底板延伸發(fā)展，導致底板出現(xiàn)如圖10底板上向另一側(cè)腹板和支點斜向發(fā)展的塑性應變區(qū)。

圖10 底板有效塑性應變Fig. 10 Effective plastic strain diagram of floor

由圖10可知：①落物沖擊作用不僅會導致作用位置的頂板、翼板和腹板出現(xiàn)損傷破壞，同樣會由腹板塑性應變區(qū)斜向發(fā)展延伸至底板，且塑性應變區(qū)都是由受沖擊的腹板向其他腹板發(fā)展，靠近受沖擊腹板位置塑性應變大，遠離位置則?。虎诘装宄霈F(xiàn)塑性應變區(qū)時間為10 ms左右，發(fā)展滯后于腹板斜裂縫。

3.3 破壞特征分析

由不同工況下箱梁塑性應變區(qū)發(fā)展和分布狀態(tài)分析可見，落物沖擊作用下，鋼筋混凝土箱梁動力響應和破壞形態(tài)局部化特征明顯，且由局部損傷破壞向整體損傷破壞發(fā)展。

沖擊作用位置越靠近腹板，沖擊力越大，腹板因沖擊作用導致的斜截面剪切破壞越嚴重；沖擊作用位置越遠離腹板，沖擊力越小，頂板局部剪切破壞消耗更多能量，從而減小了對腹板的沖擊效應。

落物對箱梁的沖擊作用傳遞規(guī)律為：落物沖擊作用位置附近的箱梁頂板或翼緣板產(chǎn)生環(huán)形塑性應變區(qū)，沖擊作用響應傳遞至腹板后可能導致腹板產(chǎn)生斜向八字形塑性應變區(qū)，并由腹板底部沿底板發(fā)展。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析和實橋在行車落物作用下的損傷破壞狀況對比，得到在落物沖擊作用下，鋼筋混凝土箱梁損傷破壞形態(tài)的一般規(guī)律：

1)橋面行車落物的沖擊速度可達5 m/s以上，沖擊速度較大。當落物沖擊橋梁時，產(chǎn)生的破壞和動力響應與靜力荷載下有很大區(qū)別，各種損傷破壞呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞特征。

2)鋼筋混凝土箱梁在沖擊荷載作用下，沖擊力作用效應和損傷破壞形態(tài)呈現(xiàn)局部化特點，形成由頂板作用位置向腹板和底板依次傳遞的過程，且隨著局部位置損傷破壞消耗能量，沖擊效應逐漸減小。

3)當沖擊荷載作用于箱梁頂板和翼緣板時，沖擊作用效應會向作用區(qū)域四周環(huán)向傳遞，當產(chǎn)生的內(nèi)力超過承載能力時，在頂板和翼緣板產(chǎn)生縱橫向交織的剪切裂縫，形成局部剪切破壞，屬于典型的板沖擊破壞形態(tài)。

4)沖擊作用位置靠近腹板，或正好位于腹板上，沖擊力會較迅速傳遞至腹板，腹板成為主要受力部位，產(chǎn)生八字形的斜裂縫，是典型的鋼筋混凝土梁的沖擊破壞形態(tài)，同時會在斜裂縫底緣向另一側(cè)腹板和支點斜向傳遞。

5)沖擊作用損傷破壞主要出現(xiàn)于沖擊作用點附近的頂?shù)装寤蚋拱?，而箱梁的其他腹板不會參與共同受力。