受腐蚀钢筋混凝土墩柱抗侧向冲击的数值分析

杨 帅，夏晓舟，方从启

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098；3.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

受腐蚀钢筋混凝土墩柱抗侧向冲击的数值分析

杨 帅1，2，夏晓舟2，方从启3

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098；3.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

采取在几何模型的混凝土保护层上预置顺筋的微裂纹和减小锈蚀区域钢筋截面直径的方式来简化受腐蚀的钢筋混凝土桥墩的有限元模型，使用LS-DYNA仿真分析了受腐蚀钢筋混凝土墩柱抗侧向冲击的全过程。从冲击过程中系统能量的转化、钢筋应变的时历值和混凝土墩柱的破坏形态等方面与试验结果进行了对比，验证了简化建模的可行性和仿真计算的正确性。为钢筋混凝土结构受碰撞的研究提供了计算依据，并为受碰撞的钢筋混凝土构件的残余承载力计算和耐久性评估提供参考。

钢筋混凝土；桥墩；腐蚀；冲击；非线性动力学

0 引言

濒海地区的钢筋混凝土结构受到海洋环境的长期侵蚀，锈蚀了结构内部的钢筋，使得钢筋混凝土结构过早地损坏，从而丧失了结构的耐久性，这已成为水工工程中的一个重要危害。大量混凝土结构的过早失效是环境作用诱发混凝土内部化学演变和结构承载力下降双重作用的结果。钢筋混凝土结构在其服役周期内不可避免地面临极端动态荷载环境，比如交通结构受车辆撞击、海洋结构或近海结构受浮冰或行船撞击、防御结构受弹射或飞机撞击等。

刘建成和顾永宁[1]模拟了船舶撞击桥梁承台的案件，表明数值模拟的方法比传统的经验公式和简化解析法更为精确；肖波等[2]对桥墩防撞装置进行了碰撞动力学分析；王君杰和陈诚[3]对桥梁的船撞力设计荷载和损伤状态进行了研究，讨论了材料本构模型参数的取值；张南等[4]开展了侧向冲击下的混凝土桥墩的动力性能研究；袁正国[5]进行了浮冰撞击桥墩的数值分析，对比了多个因素对撞击力的影响；陆新征等[6-7]对钢筋混凝土T梁桥以及刚性墙的碰撞开展了数值分析；田力等[8]开展了车辆撞击钢筋混凝土结构的模拟研究；邓昭金[9]基于混凝土损伤本构模型研究了爆炸冲击波在混凝土中的传播特性；刘海峰和韩莉[10]利用直锥变截面式SHPB对混凝土和水泥砂浆进行3种不同冲击速度下动态力学性能试验，分析了冲击速度对混凝土动态力学性能影响规律；何庆锋等[11]采用LS-DYNA对2个单层、4个3层钢筋混凝土框架在冲击荷载作用下的抗倒塌性能进行了数值模拟分析，对比分析计算了冲击作用下各框架的内力、位移以及破坏过程等。综合以上研究现状，目前的研究多集中在钢筋混凝土结构被冲击的数值模拟以及相关混凝土本构模型的开发上，对受腐蚀钢筋混凝土结构（带有初始缺陷的钢筋混凝土结构）的冲击数值模拟还鲜有研究。并且在桥梁防撞计算中，均是在桥梁完好没有被侵蚀的状态下考虑船舶撞击桥墩的动态荷载作用。

本研究采取在几何模型的混凝土保护层上预置顺筋的微裂纹和缩小锈蚀钢筋截面直径的方式来简化受腐蚀的钢筋混凝土桥墩，使用显式动力学软件LS-DYNA分析了受腐蚀的钢筋混凝土桥墩抵抗侧向冲击的全过程。从系统能量的转化过程、钢筋应变的时历值和混凝土墩柱的破坏形态与试验结果的对比，验证了简化建模的可行性和仿真计算的正确性。

1 墩柱冲击试验

1.1 试件制备

墩柱试件尺寸如图1所示。墩身截面对称配置8根直径10 mm纵筋，箍筋为直径6 mm的HPB235钢筋，墩顶和墩底采用构造配筋，浇筑C30混凝土，保护层厚度为20 mm。

图1 试件尺寸和配筋(mm)Fig.1 Section dimension and reinforcements of specimen(mm)

采用纵筋直接通电加速腐蚀方案，通过控制电流与时间来控制钢筋的质量锈蚀率。将试件放入5%NaCl溶液中充分浸泡72 h后通电，设置钢筋的目标腐蚀率为5%，设定每根纵筋的电流强度为0.2A、通电时间158 h。试验完成后，凿取钢筋称重，获得实际锈蚀率为5.20%。

1.2 冲击试验

采用落锤冲击试件等效研究墩柱受侧向撞击的问题。落锤为方形块体，落锤与混凝土试件之间放置圆柱形凸型冲击垫块；采用千斤顶对试件施加轴向力。冲击加载试验如图2所示。

图2 冲击加载试验Fig.2 Impact experiment

2 有限元建模

2.1 几何建模

锈蚀后钢筋的体积膨胀使得其周边的混凝土受到膨胀应力，导致混凝土保护层胀裂或剥落，锈蚀后的混凝土墩柱分布着沿纵筋的裂纹。依据试件的几何尺寸（见图1）建立墩柱试件的几何模型，在墩柱的混凝土保护层上预设8根顺着纵向钢筋的微裂纹（0.1 mm），深度以到纵向钢筋为止，长度为通电加速腐蚀的高水位为止。

2.2 网格划分

采用ANSYS有限元建模时，模型中各部件、材料和单元类型的匹配列于表1中。

为了准确地模拟撞击后混凝土桥墩的破坏，细化了落锤碰撞接触区的网格，设置墩柱中间的撞击区域单元网格的长度为0.002 m，其他区域单元网格的长度为0.004 m，上下墩台以及冲击物块的单元网格的长度为0.01 m，混凝土墩柱受冲击的有限元模型如图3所示。

表1 模型中各部件、材料和单元的匹配Table1 The match of part,material and element type

图3 桥墩冲击有限元模型Fig.3 Finite element model of the reinforced concrete pier

相应区域的钢筋单元的网格长度也作类似规格的加密处理。根据通电腐蚀试验的结果，试件钢筋的锈蚀会影响到水面上5 cm左右。假设纵筋和箍筋不被腐蚀，认为在0耀46 cm的范围内纵筋的直径从10 mm被锈蚀成了9.525 mm，其计算锈蚀率也是5.20%（与实际通电加速锈蚀试验的锈蚀率一致）。

2.3 材料模型

2.3.1 钢质材料的本构参数

使用ANSYS/LS-DYNA进行非线性动力学仿真时，纵筋、箍筋和墩台钢筋采用双线型随动强化本构模型（#MAT3）；为了减少计算量、提高计算速度以及根据实际材料的性质，将落锤和钢质底座设置为刚体（#MAT20），各部分钢质材料的本构参数取值如表2所示[6]。

表2 钢质材料参数表Table2 Material parameter of steel

2.3.2 混凝土材料的本构参数

混凝土材料选用Karagozian&Case，Inc.开发的Concrete Damage本构模型（#MAT72R3），又称为K&C本构模型，该模型中忽略混凝土拉伸时候的应变率，仅仅计及混凝土被压缩时的应变率，其模型的参数取值见表3[9]。

表3 混凝土损伤模型（#MAT72R3）计算参数Table3 Computational parameters for concrete damage constitutive model(#MAT72R3)

3 仿真分析

为了减少计算的迭代时间和简化建模，统一将冲击物块的模型建立在距离混凝土墩身0.03 m的高处，使冲击物块进行有初速度的自由落体运动，设定数值计算的截止时长为0.03 s。

使用混凝土材料本构模型配合LS-DYNA的*MAT_ADD_EROSION建立失效准则。数值求解时，通过对比该失效准则，判断单元是否失效。当单元被判断为失效后，该单元将会从模型中被自动删除，与该失效单元相关联的所有节点也将被自动删除。不考虑混凝土和钢筋的粘结滑移，添加*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID的约束，将钢筋约束在混凝土中。落锤单元与混凝土单元、混凝土单元与钢质底座单元的碰撞接触均设定为面-面自动接触，落锤单元与墩柱中钢单元的碰撞接触设定为面-节点自动接触。

3.1 能量校核

ANSYS/LS-DYNA中通过定义沙漏能来描述抵制零能模式下的变形消耗的能量，系统能量的转换是否合理是检验计算模型是否有效的标准之一，数值模拟试件的受侧向冲击作用下的动力性能，主要是考察数值模型的能量转换是否准确。图4所示为墩柱试件在冲击过程中整个系统的能量变化曲线。整个冲击的过程中，系统的动能转化为内能和沙漏能，沙漏能占总能量和内能的比例都小于10%，认为所建立的有限元模型和LSDYNA的显式冲击计算是合理和可靠的。

3.2 仿真计算与结果验证

冲击模拟时，可以获得落锤的加速度、混凝土和钢筋的Von Mises应力等时历曲线。同时，除去因被判断单元失效而被删除的单元，混凝土的Von Mises应力峰值和钢筋Von Mises应力峰值分别为42.87 MPa和193.3 MPa。试件受拉区纵向钢筋的应变时历曲线作为检验模型和数值仿真方法是否可行和准确的主要依据，将钢筋S3应变片的实测时历曲线和数值仿真曲线对比于图5中，并将试验后的混凝土墩柱试件的破坏形态（图6（a））和仿真计算的破坏形态（图6（b））进行对比。从对比结果可以看出，开始冲击时刻和结束冲击时刻等时间点都比较接近；S3钢筋应变的仿真值与试验值较接近，并且曲线的形态也基本类似。说明在混凝土保护层的几何模型上设置顺着纵筋的微裂纹和缩小锈蚀区纵筋截面直径的ANSYS建模方式模拟受腐蚀的钢筋混凝土桥墩，以及LS-DYNA显式动力分析的方式，能较为准确地模拟受腐蚀钢筋混凝土墩柱抗侧向冲击的过程。

图4 试件冲击过程中的系统能量曲线Fig.4 System energy curve during specimen impacted process

图5 钢筋S3应变时程曲线Fig.5 Time history curve of S3 strain gauge

图6 墩柱试件的冲击破坏形态Fig.6 Impact failure mode of the corroded reinforced concrete pier

4 结语

本文采用ANSYS建模和LS-DYNA显式动力分析的方式，采取在墩柱保护层几何模型上设置顺着纵向钢筋的微裂纹和缩小锈蚀钢筋截面直径的方式模拟受腐蚀的钢筋混凝土桥墩，基于混凝土损伤本构模型，对物块侧向冲击钢筋混凝土墩柱的过程进行了仿真。整个冲击过程系统能量的转化中，沙漏能占总能量和内能的比例小于10%，验证所建立的有限元模型和LS-DYNA的显式冲击计算是合理和可靠的；冲击过程中的钢筋应变的时历值以及墩柱的破坏形态与试验结果对比，验证了仿真计算的正确性。可为钢筋混凝土结构受碰撞的研究提供计算依据，并对受碰撞的钢筋混凝土构件的残余承载力计算和耐久性评估提供参考。

[1] 刘建成，顾永宁.船-桥碰撞力学问题研究现状及非线性有限元仿真[J].船舶工程，2002（5）：4-9.LIU Jian-cheng,GU Yong-ning.A review of approaches to me原chanics of ship-bridge collision and its nonlinear FEM simulation[J].Ship Engineering,2002(5):4-9.

[2] 肖波，王爽，吴卫国，等.桥墩防撞装置碰撞动力学分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29（1）：49-53.XIAO Bo,WANG Shuang,WU Wei-guo,et al.Analysis on colli原sion dynamics about collision-preventing device of pier[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science&Engineering,2005,29(1):49-53.

[3]王君杰，陈诚.桥墩在船舶撞击作用下的损伤仿真研究[J].工程力学，2007，24（7）：156-160.WANG Jun-jie,CHEN Cheng.Simulation of damage for bridge pier subjected to ship impact[J].Engineering Mechanics,2007,24(7):156-160.

[4]樊文才，张南，阙水杰.侧向荷载下钢筋混凝土圆形桥墩抗裂性能研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2010，29（4）：514-517，539.FAN Wen-cai,ZHANG Nan,QUE Shui-jie.Research on anticracking performance of RC circular pier under lateral load[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Sciences,2010,29(4):514-517,539.

[5]袁正国.内河冰凌力学性能及其对桥墩撞击力作用的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.YUAN Zheng-guo.Research on inland river ice mechanical prop原ertyan ice impact force in bridge pier[D].Harbin:Northeast Forestry University,2010.

[6] 陆新征，何水涛，黄盛楠.超高车辆撞击桥梁上部结构研究——破坏机理、设计方法和防护对策[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.LU Xin-zheng,HE Shui-tao,HUANG Sheng-nan.Failure mecha原nism,design methodology and protective measures:collision between over-height vehicles and bridge superstructures[M].Beijing:China Architecture&Building Press,2011.

[7] 林丽，陆新征，韩鹏飞，等.大型商用飞机有限元建模及撞击力研究[C]//中国土木工程学会防护工程分会第十四次学术年会论文集.2014：146-152.LIN Li,LU Xin-zheng,HAN Peng-fei,et al.Finite element model原ing and impact load research of large commercial aircraft[C]//Annual academic meeting of protection engineering branch of China Civil Engineering Society.2014:146-152.

[8] 田力，朱聪，王浩，等.碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式[J].工程力学，2013，30（2）：150-155.TIAN Li,ZHU Cong,WANG Hao,et al.Dynamic response and failure modes of RC columns under impact[J].Engineering Mechanics,2013,30(2):150-155.

[9] 邓昭金.钢筋混凝土防爆墙的抗爆性能数值分析[D].长沙：湖南大学，2012.DENG Zhao-jin.Numerical analysis on blast-resistant capacity of reinforced concrete barriers wall[D].Changsha:Hunan University,2012.

[10]刘海峰，韩莉.冲击荷载作用下混凝土动态力学性能数值模拟研究[J].固体力学学报，2015，36（2）：145-153.LIU Hai-feng,HAN Li.Numerical simulation research on dynamic mechanical behaviors of concrete subjected to impact loading[J].Chinese Journal of Solid Mechanics,2015,36(2):145-153.

[11]何庆锋，刘义仁，周超，等.冲击作用下钢筋混凝土框架抗连续倒塌数值模拟[J].振动与冲击，2016，35（23）：56-64.HE Qing-Feng,LIU Yi-Ren,ZHOU Chao,et al.Numerical simula原tion for progressive collapse of a reinforced concrete frame under impact load[J].Journal of Vibration and Shock,2016,35(23):56-64.

Numerical analysis of lateral anti-impact on the corroded reinforced concrete pier

YANG Shuai1,2,XIA Xiao-zhou2,FANG Cong-qi3
（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;3.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

In order to simulate the corroded reinforced concrete pier,the micro-crack of the concrete cover along the longitudinal reinforcement and reduction diameter of the reinforcement section are pre-set in the geometry model.The lateral anti-impact properties of the reinforced concrete pier in ocean environment are analyzed by using the dynamic explicit finite element software LS-DYNA.The translation process of the system energy,the time history value of strain gauge and failure mode of the corroded reinforced concrete pier are compared with the experiment results.The feasibility of the simplified finite element modeling and the validity of the numerical simulation are validated.It can provide computation references to reinforced concrete structures under impacting,and also provide evidence for the residual bearing capacity and durability test of reinforced concrete members.

reinforced concrete;pier;corrosion;impact;non-linear dynamics

U656

A

2095-7874（2017）12-0025-05

10.7640/zggwjs201712006

2017-04-27

2017-05-25

国家自然科学基金项目（51178264）

杨帅（1986— ），女，江西九江人，博士，工程师，主要从事混凝土耐久性和抗冲击性能等方面的研究。E-mail：s_yang54@163.com