关于提高预制节段式桥墩抗冲击性能的方法的实验与数值研究

《Engineering Structures》：Experimental and numerical investigations on methods for improving impact performance of precast segmental bridge piers

　　• 在导弹撞击下，围绕接头的碳纤维增强塑料（CFRP）包裹可以有效防止撞击区域出现剥落损坏，但可能会导致更严重的底部剪切损坏。
• 在导弹撞击下，使用底部两段的钢管和现浇底部段都可以提高预制分段桥墩（PSBPs）的撞击性能。
• 对于偏心撞击，三种方法在提高PSBPs撞击性能方面的效果与正面撞击试验观察到的效果一致。
• 偏心撞击引起的剪切和扭转的联合效应会降低PSBPs的撞击性能。

**引言**
随着预制建筑的日益普及，预制分段桥墩（PSBPs）的发展受到了高度重视[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。与整体式桥墩相比，PSBPs具有许多优势，包括现场施工速度更快、对环境的影响更小、交通干扰更少、施工质量更高以及所需的现场劳动力更少[6]。PSBPs的抗震性能已进行了广泛研究，并提出了相应的设计标准[7]、[8]。桥梁结构的数量迅速增加，使得桥墩对撞击载荷的敏感性增强，主要的撞击类型可以根据实际撞击位置分为两种：桥墩顶部的撞击和桥墩底部的撞击。顶部撞击可能由地震载荷引起，并发生在剪力键处。相关研究已经探讨了桥墩在顶部撞击下的动态响应和损伤机制[9]、[10]、[11]、[12]。然而，由于撞击能量更高，底部撞击（例如车辆和船舶碰撞）通常会对桥墩造成更严重的损坏，甚至可能导致其完全倒塌[13]、[14]、[15]，因此底部撞击成为桥墩撞击研究中的主要关注点。此外，与PSBPs相比，整体式桥墩的撞击响应和损伤机制也得到了更广泛的研究。最近对受撞击载荷影响的整体式桥墩的研究表明，撞击区域内的混凝土会发生严重破碎，侧面和背面会出现弯曲裂缝和剥落现象，当撞击力超过剪切承载能力时，底部还会出现斜向或冲切剪切损伤[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。不过，PSBPs包含分段接头，并依靠预应力筋来保持其完整性，因此其变形和损伤机制也有所不同，如接头张开、分段滑移以及接头附近的局部损坏。与地震响应研究相比[21]、[22]、[23]，针对车辆碰撞对PSBPs的动态响应和损伤机制的研究仍然有限，因此为了确保桥梁结构在车辆碰撞中的安全性，研究PSBPs的撞击响应至关重要。

根据现有的实验研究[24]、[25]、[26]、[27]，PSBPs在撞击事件中的响应模式与整体式桥墩不同。具体来说，底部滑移和接头张开是常见的变形模式。尽管这两种响应方式都可以减少撞击力并减轻对PSBP分段的损伤，但仍需进一步改进PSBPs的撞击性能。例如，由于接头张开引起的 rocking 响应和应力集中，相邻分段之间的撞击常常会导致混凝土破碎或剥落[26]、[27]、[28]。此外，对于遭受车辆碰撞的PSBPs，撞击通常发生在桥墩的底部，该部分主要承受撞击载荷。这可能导致底部分段出现显著局部损坏，甚至由于底部段滑移而导致预应力筋屈服或剪切断裂[23]、[28]、[29]。过度的底部滑移会加剧上部结构的P-Δ效应，增加PSBPs和上部结构倒塌的可能性。因此，不能忽视PSBPs的局部损坏和底部滑移问题。

为了解决上述问题并提高PSBPs的撞击性能，现有研究中提出了一些方法。例如，Zhang等人使用玄武岩纤维增强塑料（BFRP）板材包裹所有分段，通过摆锤撞击试验证明了其有效性[24]。Do等人使用LS-DYNA模拟了PSBPs在摆锤撞击下的行为，发现用混凝土填充钢管（CFST）分段替代钢筋混凝土分段可以防止接头附近的破碎损坏和底部段的严重损坏[28]。此外，Gholipour等人通过数值模拟研究了用超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）增强的PSBPs在车辆碰撞下的动态行为，并建议用UHPFRC加固受撞击的分段和上部分段的所有边缘[30]。这些研究表明，大规模的分段加固或材料替换可以提高PSBPs的撞击性能。然而，这些方法需要较大的加固区域以及大量的材料和施工投入，而碰撞引起的损坏通常集中在底部撞击区域。因此，针对脆弱区域进行更有针对性的加固值得进一步研究。Xue等人将不同类型的能量耗散（ED）筋应用于PSBPs以提高其撞击性能，并通过模拟导弹撞击场景验证了其有效性[31]。结果表明，低碳钢ED筋能够有效吸收部分撞击能量，但由于塑性变形，它们增加了PSBPs的残余变形[31]。相比之下，形状记忆合金（SMA）可以替代低碳钢ED筋，由于其超弹性特性，可以提高PSBPs的自恢复能力。然而，SMA的低能量耗散特性会由于限制底部滑移而加剧受撞击分段的损坏[31]。尽管ED筋常用于地震应用中，在循环载荷下反复屈服和塑性变形可以扩大滞回环并增强能量耗散，但在短时间撞击载荷下，它们在塑性能量耗散方面的机械优势可能无法完全发挥。为了解决这些问题，本研究在底部和中间分段之间引入了连续的钢管。与ED筋相比，钢管为塑性变形提供了更大的有效钢面积，并通过其连续的周边排列，在相邻分段之间建立了额外的载荷传递路径，有助于能量传播。这种配置使中间段能够抵抗撞击并耗散撞击能量，减少对脆弱底部分段的需求，从而提供了一种有效的提高PSBPs撞击性能的方法。

除了提高PSBPs的撞击性能外，撞击试验的设计和PSBP试验场景的选择也需要改进，以便更好地模拟车辆碰撞过程中的实际动态行为和损伤模式。例如，以往的实验研究表明，仅通过将重力势能转化为动能很难实现高速撞击[24]、[32]、[33]、[34]。然而，撞击试验的速度相似比应为1:1，因为应力波在相同介质中的传播速度是恒定的[35]，并且撞击速度会影响混凝土和钢筋的应变率[36]、[37]，这必须与卡车碰撞的速度相匹配，以准确反映桥墩的实际动态承载能力。因此，应使用替代设施来满足撞击速度要求。此外，偏心卡车碰撞比正面碰撞更常见。但由于安全考虑，正面撞击试验通常在实验室进行。因此，数值模拟常用于研究复杂的撞击工程场景，多项研究已经探讨了桥墩在偏心碰撞下的动态响应和损伤机制[38]、[39]、[40]。

如上所述，现有研究主要关注于强化整个PSBPs或依赖额外组件进行能量耗散，而针对脆弱底部区域的针对性局部加固以及激励相邻分段抵抗撞击力和耗散撞击能量的方法则研究不足。为此，本研究考察了三种方法来提高PSBPs的撞击性能：用CFRP板材包裹接头、使用钢管连接底部两个分段以及应用现浇底部段。这些方法代表了针对脆弱底部撞击区域的三种针对性加固策略，旨在通过增强接头完整性、促进分段间的载荷共享和减少底部段过度滑移来提高撞击性能。它们的动态响应和损伤特性经过了系统的分析和比较。首先，通过轻气枪导弹撞击试验验证了三种加固方法的有效性。其次，使用显式动态分析软件LS-DYNA，将PSBPs在导弹撞击下的数值模型与各种试验结果进行了对比验证。第三，利用经过验证的数值模型考虑了偏心撞击场景，进一步评估了这三种方法，并展示了它们在复杂碰撞场景中的适用性。

**PSBPs和撞击器的介绍**
图1展示了按1:5比例缩放的PSBPs设计细节，该比例基于原型整体式桥墩的尺寸信息[33]、[41]、[42]。本研究考虑了图1a中所示的四种类型的PSBPs：未经加固的传统PSBP（OR）、用CFRP板材包裹接头的PSBP（C）以提高接头完整性、在底部两个分段中分别插入四根连续钢管的PSBP（ST）以增强连接性。

**结果分析和讨论**
本研究从三个方面评估了PSBPs的撞击性能：失效模式和局部损伤响应、整体和局部变形响应以及预应力力的变化。利用这些参数，分析了采用不同加固方法的PSBPs的总体撞击性能。

**数值建模和验证**
第3节分析了三种提高PSBPs撞击性能的方法的有效性。然而，撞击试验的数量有限，对于复杂撞击场景（如偏心撞击）的讨论也较为有限。鉴于实验室进行偏心撞击试验的安全风险，进行了数值模拟以补充实验室试验数据，从而增强对PSBPs在偏心导弹撞击下性能改进方法的理解。

**第4节验证了四种类型PSBPs的数值模型和建模方法**。鉴于进行偏心导弹撞击试验和偏心车辆碰撞的难度较大，这些性能改进方法在偏心导弹撞击场景下的适用性进一步得到了讨论。图13定义了正面撞击和偏心撞击：七个正面撞击案例是参考案例，而偏心案例则改变了导弹的撞击方向。

**结论**
本研究通过实验和数值方法研究了三种提高PSBPs撞击性能的改造方法，即用CFRP板材包裹接头、为底部分段使用钢连接器以及应用现浇底部段。主要研究发现如下：
(1) 在90公里/小时的导弹撞击下，用CFRP包裹接头虽然提高了PSBPs的完整性并限制了接头张开，但降低了其撞击性能。使用钢管连接底部两个分段也有所帮助。

**展望**
尽管本研究证明了所考察加固策略的有效性，但它们的适用范围和撞击场景仍需进一步验证。由于本研究使用的是缩放样品，并仅考虑了大约25米/秒和30米/秒两种导弹撞击速度，因此需要进一步研究其在全尺寸PSBPs、更广泛撞击水平和实际车辆-桥墩碰撞中的适用性。

**作者贡献声明**
Yifei Hao：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Pengcheng Li：撰写、审稿与编辑、形式分析、数据管理。
Hong Hao：撰写、审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。
Delei Zou：资源协调。
Yu Liu：资源协调。
Shuyou Xue：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法论研究、数据分析、形式分析、数据管理。

**利益声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

**致谢**
第一作者和第六作者感谢国家自然科学基金（52378505、52293434）和河北省自然科学基金（E2023202097）对本研究的财政支持。