張西沖， 劉長勛

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

0 引 言

目前國內外學者已采用LS-DYNA軟件對鋼筋混凝土構件抗撞性能開展了部分研究。Pham等[1]對鋼筋混凝土(RC)梁在撞擊荷載作用下的塑性鉸和慣性力開展了數值分析。孟一[2]對RC梁的抗撞性能開展了數值分析，主要為鉸支約束的梁抗力模型提供理論依據。曾翔等[3-4]對RC梁的抗撞性能開展了相關研究，主要分析了RC梁和RC深梁的動力特性。Kishi等[5]對不同配筋率RC梁的抗剪承載力開展數值分析，主要研究了等效靜力抗剪荷載的計算方法。陳林[6]建立了RC梁的落錘有限元模型，并驗證了等代車-橋撞擊(CMCD)簡化模型用于數值分析的合理性。Fujikake等[7]通過建立RC梁的落錘有限元模型，驗證了梁在撞擊作用下的荷載和位移理論計算公式。周德源、劉長勛[8]深入分析了橋墩在撞擊荷載作用下的破壞機理和受力狀態(tài)，并進一步研究橋墩在撞擊荷載作用下動力響應與損傷程度的影響參數。為了進一步探究自復位結構對于RC橋墩水平撞擊的影響，通過在文獻[8]原有模型基礎上加入預應力鋼筋，建立自復位混凝土柱模型，得到了預應力下的損傷分布情況，并進一步分析了其損傷過程及受力機理。

圖1 自復位混凝土柱示意圖

圖2 撞擊車和自復位混凝土柱組裝模型

1 有限元建立

混凝土柱選擇 MAT_145材料本構來模擬，撞擊車、普通鋼筋以及撞擊速度、接觸設置均與文獻[8]所驗證的模型保持相同，并分別采用拉格朗日流固耦合法及共節(jié)點法模擬預應力筋與混凝土之間的接觸見圖1和表1。

表1 自復位混凝土柱設計參數

根據對有限元模型的多組工況進行參數分析，發(fā)現(xiàn)自復位混凝土柱在撞擊荷載作用下的動力響應具有相似的發(fā)展規(guī)律，且并不容易發(fā)生剪切破壞。同文獻[8]選取同樣的一組典型工況來對撞擊荷載作用下自復位預應力混凝土柱的動力響應過程進行分析介紹，組裝模型及工況主要參數見圖2及表2。

表2 撞擊工況主要參數

2 損傷形態(tài)分析

2.1 預應力鋼絞線

圖3為自復位混凝土柱在上述撞擊工況作用下，預應力鋼絞線的 Von-Mises 應力云圖。撞擊初始時刻，自復位柱在撞擊作用下會獲得初速度，隨后在預應力鋼絞線的作用下自復位柱會繞中軸線發(fā)生擺動，由于結構體系本身阻尼的存在，因此自復位柱的振動實際上是有阻尼受迫振動，在振動過程中系統(tǒng)能量不斷耗散直至最后靜止，整個過程比普通撞擊過程的模擬需要更長的計算時間。應力云圖呈現(xiàn)了預應力鋼絞線在撞擊加載過程及卸載過程中的應力變化。

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

圖3表現(xiàn)了撞擊加載過程下預應力鋼絞線的應力變化，從應力云圖可以看出在分析初始時刻，鋼絞線中預應力已經施加成功，在第20ms時，受車輛撞擊鋼絞線中應力開始增大，并出現(xiàn)變形，此時左側鋼絞線的應力增加更快，隨著撞擊車輛的繼續(xù)運動，鋼絞線的軸向變形及應力持續(xù)增大，能夠看出左側鋼絞線的應力遠遠大于另外兩根鋼絞線的應力，這是由于左側鋼絞線的軸向變形更大，隨著撞擊過程發(fā)展，撞擊車輛運動速度逐漸減小至0，此時鋼絞線應力達到最大1691MPa。

2.2 縱筋與箍筋

圖4為自復位混凝土柱中鋼筋的 Von-Mises 應力云圖。整個撞擊過程大概分為撞擊加載階段、撞擊后的自由振動階段。在第一個階段中觀察鋼筋的應力云圖可以發(fā)現(xiàn)，自復位混凝土柱放松了基礎與柱腳之間的約束，在車輛撞擊荷載的作用下自復位柱發(fā)生剛體位移，導致撞擊能量大部分轉換為自復位混凝土柱的動能，降低了自復位柱受到的撞擊力，因此自復位柱中鋼筋始終處于低應力狀態(tài)，而撞擊部位處應力約為普通鋼筋混凝土柱的 1/3。

在撞擊車回彈階段，自復位柱中鋼筋應力變化不明顯，遠低于屈服應力，而普通鋼筋混凝土柱中鋼筋相比于撞擊時刻，會發(fā)生應力卸載，但由于撞擊過程較為短暫，不能充分卸載，因而撞擊部位處鋼筋應力依舊明顯高于其他部位。

2.3 混凝土

圖5為撞擊荷載作用下自復位混凝土柱的混凝土等效塑性應變云圖。可以發(fā)現(xiàn)，在0時刻，混凝土無任何損傷，20ms時在撞擊車頭的作用下整體發(fā)生平動，此時撞擊部位出現(xiàn)明顯局部損傷，同時沖擊波的影響使從撞擊部位至背部斜向45°范圍內出現(xiàn)了明顯的損傷，這是因為撞擊能量主要在這個范圍內通過混凝土的變形傳遞，發(fā)生了明顯的剛體移動，柱底部與基礎之間由于摩擦的作用，柱底表面混凝土出現(xiàn)了損傷，甚至有少量混凝土單元刪除。對比圖4普通鋼筋混凝土柱等效塑性應變云圖，可以發(fā)現(xiàn)在撞擊作用下自復位混凝土柱混凝土損傷主要是撞擊部位及背部斜向的塑性變形，而在撞擊部位與底部基礎間沒有明顯的剪切斜裂縫。

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

3 結 論

基于自復位混凝土柱水平撞擊試驗有限元模型，通過多次有限元模擬，深入分析了撞擊作用下中自復位混凝土柱受力機理及損傷發(fā)展過程，在車輛撞擊作用下預應力鋼絞線的應力表現(xiàn)出明顯的階段特征，縱筋及箍筋除撞擊時刻外一直處于低應力狀態(tài)；而自復位混凝土柱損傷呈現(xiàn)出明顯局部分布的特點，主要集中于撞擊處及混凝土柱與基礎接觸表面，不會發(fā)生剪切破壞，這與普通混凝土柱由于剪切斜裂縫而破壞有明顯不同。