闭孔泡沫铝防护下的钢筋混凝土桥墩撞击损伤试验研究

周锡武，冯春冬，张文超，张洪龙

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000）

近年来，船舶撞击桥梁的事故时有发生，严重威胁到人民的生命财产安全［1-3］。因闭孔泡沫铝防撞材料具有较好的吸能缓冲作用，采用闭孔泡沫铝作为桥墩防护材料备受研究者广泛关注。

许多学者对闭孔泡沫铝用于缓冲材料进行了相关的理论和试验研究。王展光等［4］研究发现闭孔泡沫铝的压缩应力-应变曲线呈线弹性变形、塑性平台、致密化3个阶段。GIBSON［5］等研究发现泡沫金属在压缩过程中有高而宽的屈服平台，在压缩过程中大量能量近似恒应力下被该阶段吸收。李斌潮［6］等通过落锤冲击实验研究了闭孔泡沫铝的动态压缩性能及低速抗冲击特性，结果表明高孔隙率的闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显且变形形态与准静态变形类似。目前对闭孔泡沫铝用于钢筋混凝土结构防护方面，也有学者进行了相关研究。XIA等［7］进行了爆炸冲击荷载作用下不同密度梯度的闭孔泡沫铝对混凝土板防护效果的试验研究。巫祖烈［8］等采用摆锤试验对不同厚度、不同结构形式的闭孔泡沫铝桥墩防撞装置进行了对比模型试验。朱聪［9］等研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的加固防护，对比了外粘钢板及外敷泡沫铝两种加固措施的抗撞效果。徐东丰［10］对带有闭孔泡沫铝防护装置的桥墩进行摆锤冲击试验，对比分析了泡沫铝对桥墩作用的影响规律。但这些研究中没有考虑压缩密实的泡沫金属会使传递的应力迅速增强，也没有考虑致密化的泡沫金属材料能够使被保护体损伤增大的效应。COOPER等［11］发现，爆炸波经泡沫层从空气传到水腔中时会有显著的提高而不是降低。SKEWS等［12］通过研究高能冲击波在多孔材料中的传播也得到了类似的结论。王志华等［13］通过二维（2D）弹塑性质量-弹簧-连杆模型研究了应力波在泡沫铝中的传播特性，得出了当脉冲达到一定强度时，泡沫铝中的应力会出现增强现象。李斌潮等［14］研究表明闭孔泡沫铝进入压缩密实阶段的应力增强作用不仅使其作用应力迅速增大，而且使冲击响应加速度迅速增加进而对结构安全防护构成威胁。这说明，在一些条件下泡沫金属用作结构的防护材料时不仅没有起到保护作用，反而可能会给结构安全带来隐患。由以上可知，闭孔泡沫铝作为桥墩防护材料的相关研究相对较少也不够深入，对于闭孔泡沫铝作为桥墩吸能防撞材料撞击全过程研究有待进一步探讨分析。本试验通过制作大型钢筋混凝土桥墩的缩尺模型，采用国内先进超高重型落锤冲击试验机系统，对闭孔泡沫铝缓冲材料防护的钢筋混凝土桥墩进行水平冲击试验，研究水平冲击荷载作用下闭孔泡沫铝对钢筋混凝土桥墩撞击损伤的影响。为闭孔泡沫铝缓冲材料用于桥墩防护装置中的可靠性分析提供有价值的参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验采用对比研究方法，基于相似原理按1∶5比例制作了4根纵向钢筋为16 mm的混凝土圆形桥墩试件，其中2根为普通钢筋，2根为太原钢铁公司生产的不锈钢钢筋，用闭孔泡沫铝分别对其中一根桥墩的撞击点部位进行防护，其中一根桥墩模型如图1所示。

对试件中钢筋取样并在电液伺服万能试验机上进行了加载拉伸试验，得到了钢筋力学参数，如表1所示；对选用的混凝土制作了12个标准立方体试块（150×150×150 mm）做混凝土抗压试验，得到了混凝土的性能参数，如表2所示。

图1 桥墩模型图（单位：mm）

表1 钢筋材料性能

表2 混凝土力学性能

同时对选用的闭孔泡沫铝进行了压缩试验，得到了其应力-应变曲线，如图2～3所示。

图2 闭孔泡沫铝压缩试验

图3 闭孔泡沫铝应力-应变曲线

由应力-应变曲线可知其变形所做的功W及屈服平台应力σ0［15］。

W为闭孔泡沫铝变形吸收的功；σ为闭孔泡沫铝的流动应力；εm为闭孔泡沫铝的流动应变。

σ0为屈服平台应力；σy为屈服应力；εy为屈服应变；εD为致密化应变。

由式（1）、（2）计算出了闭孔泡沫铝的材料参数，如表3所示。试件的设计参数如表4所示。

表3 闭孔泡沫铝材料参数

表4 试件设计参数

1.2 实验设计

试验采用多功能超高重型落锤冲击试验系统进行水平冲击，试验装置是基于能量守恒原理通过调节落锤的高度和配重控制小船模型的冲击能量，利用落锤的自由落体牵引小车模型沿固定轨道水平撞击桥墩模型，其中小车模型质量为1 200 kg，落锤质量为166 kg，冲击系统如图4所示。

图4 多功能超高重型落锤冲击试验机系统

实验设计对每根桥墩试件撞击6次，冲击方案如表5所示。

表5 冲击方案

1.3 实验数据采集

试验时，试件由4个预应力螺栓固定在刚性基座上，上端由液压千斤顶施加250 kN的轴向压力，撞击试件中点。试验过程中分别对水平冲击碰撞荷载作用下的撞击力、试件位移、钢筋应变、试件裂缝发展及混凝土损伤进行采集和记录。其中，冲击力由撞击体小车头部安置的压力传感器测量，如图5所示；混凝土损伤及裂缝测量采用ZHC-U81超声波检测仪对主要破坏区进行检测，如图6所示。钢筋动态应变采用电阻应变片测量，根据试件的受力特点，共布置了6个钢筋应变片其分布如图7；同时在试件的背面离上端100、800、1 500、2 100 mm处布置了4个位移计采集桥柱的侧向位移，如图8所示。

图5 压力传感器

图6 混凝土损伤及裂缝检测仪

图7 钢筋应变测点图（单位：mm）

图8 位移测点图（单位：mm）

2 试验结果与分析

为了展示桥墩冲击过程的动态响应及损伤变化，本文以落锤高度为4 m（即闭孔泡沫铝处于屈服阶段）以及落锤高度为10 m时（即闭孔泡沫铝处于致密化阶段）的动态时程响应曲线为例，对比分析闭孔泡沫铝应力变化对桥墩撞击响应的影响及桥墩损伤的前后变化。

2.1 冲击作用分析

试件M1-16、M2-16、S1-16、S2-16，在落锤高度为4 m、10 m时的冲击力时程曲线，如图9所示。

由图9a可知，在落锤高度为4 m时，试件M1-16、M2-16的冲击力峰值分别为453 576 N、137 490 N，相对变化率为69.7%；S1-16、S2-16的冲击力峰值分别为518 526 N、200 490 N，相对变化率为61.3%。通过对比分析发现，在冲击能量累积不超过3 498J前闭孔泡沫铝处于屈服平台阶段时，闭孔泡沫铝能够消减大部分冲击力，有效保护桥墩。由图9b可知，在落锤高度为10 m时，试件M1-16、M2-16的冲击力峰值分别为849 077 N、609 186 N，相对变化率为28.3%；S1-16、S2-16的冲击力峰值分别为890 065 N、672 110 N，相对变化率为24.5%。由相对变化率的减小可知，在冲击能量累积超过3 498J后，闭孔泡沫铝处于致密化阶段时，闭孔泡沫铝的吸能能力急剧下降，逐渐失去了缓冲效应。

图9 冲击力时程曲线

2.2 冲击位移分析

试件在落锤高度为4 m、10 m时的顶端测点位移时程曲线，如图10所示。

图10 位移时程曲线

由图10a可知，在落锤高度为4 m时，试件M1-16、M2-16的顶端位移峰值分别为38.31 mm、22.8 mm，相对变化率为40.49%；S1-16、S2-16的顶端位移峰值分别为26.21 mm、17.79 mm，相对变化率为32.13%。由图10b可知，在落锤高度为10 m时，试件M1-16、M2-16的顶端位移峰值分别为78.02 mm、93.73 mm，相对变化率为-20.14%；S1-16、S2-16的顶端位移峰值分别为49.32 mm、54.33 mm，相对变化率为-10.16%。由相对比率的正负变化可知，当落锤提升至10 m作用下，闭孔泡沫铝进入致密化阶段后，致密化的闭孔泡沫铝会加大桥墩的侧向位移。

2.3 钢筋应变分析

现以试件撞击正面底部2＃钢筋应变为例进行钢筋冲击应变分析，试件在落锤高度为4 m、10 m时的应变时程曲线，如图11所示。

由图11a可知，在落锤高度为4 m时，试件M1-16、M2-16的钢筋应变峰值分别为1 674.36 με、1 159.78 με，相对变化率为30.73%；S1-16、S2-16 的钢筋应变峰值分别为1 298.65 με、864.53 με，相对变化率为33.43%。由图11b可知，在落锤高度为10 m时，试件M1-16、M2-16的钢筋应变峰值分别为2 712.24 με、2 872.25 με，相对变化率为-5.90%；S1-16、S2-16 的钢筋应变峰值分别为2 426.52 με、2 673.88 με，相对变化率为-10.19%。通过对比可知钢筋应变变化规律与位移的变化规律相一致，这说明致密化的闭孔泡沫铝不仅加大了桥墩的侧向位移，同时也加大了桥墩钢筋的动态响应。

图11 应变时程曲线

2.4 裂缝的发展与分析

试验中采用了混凝土裂缝探测仪对桥墩试件的裂缝进行测量与记录，现以桥墩试件正撞击面底部为例展示桥墩裂缝的发展与衍生过程，如表6所示。最后一次撞击试件破坏形态如表7所示。

表6 试件撞击正面下部区域裂缝数量、主裂缝长度与宽度对比表

表7 裂缝图像

由表6知，当冲击速度达到1.42 m/s之前，仅有试件M1-16正面下部区域出现了裂缝，这说明屈服阶段的闭孔泡沫铝延缓了桥墩裂缝的开展。随着冲击能量累积，当冲击速度达到1.67 m/s之后，构件撞击点正面底部开始出现较大裂缝，由表中数据可以看出最后一次撞击试件M1-16和S1-16的主裂缝宽度比M1-16和S1-16试件主裂缝宽度大，这说明致密化阶段的闭孔泡沫铝加大了桥墩裂缝的发展，给桥墩带来了不利的影响。

由表7可知，两组试件的裂缝均以典型的弯曲裂缝为主，撞击正面底部出现较大裂缝，撞击背面底部部分混凝土被压溃，并且试件M2-16、S2-16正面底部的裂缝宽度、数量及背面底部混凝土的压溃程度比M1-16、S1-16正面底部的裂缝宽度、数量及背面底部混凝土的压溃程度更加明显，这说明致密化的闭孔泡沫铝加大了桥墩裂缝的衍生。

2.5 混凝土损伤分析

采用超声波测损仪测量了小车模型以不同的速度撞击试件后混凝土声学参数变化值，如表8所示。

表8 混凝土超声波声速变化

由表8可知，当冲击速度达到1.42 m/s之前，第Ⅰ组M1-16、M2-16的声速减小量分别为-0.231km/s和-0.191 km/s，第Ⅱ组S1-16、S2-16的声速减小量分别为-0.17 km/s和-0.14 km/s，分别对比两组的声速减小量可知闭孔泡沫铝防护的桥墩损伤偏小，这说明处于屈服阶段的闭孔泡沫铝对桥墩具有保护作用减小了桥墩的损伤。经数次相同能量冲击当冲击速度达到1.67 m/s之后，第Ⅰ组M1-16、M2-16的声速减小量分别为-0.61 km/s和-1.593 km/s，平均声速变化率分别为-17.54%和-38.12%；第Ⅱ组S1-16、S2-16的声速减小量分别为-0.522 km/s和-0.755 km/s，平均声速变化率分别为-15.61%和-20.7%，对比这些数据可以得出闭孔泡沫铝防护的混凝土桥墩整体损伤比普通混凝凝土桥墩损伤大。这说明在冲击能量累积作用后，致密化的闭孔泡沫铝材料给桥墩带来了不利的作用加大了桥墩的损伤。

3 结论

本文对两组钢筋混凝土桥墩试件进行了水平冲击试验对比研究，分析了两种工况下试件的冲击力作用、动态响应及损伤情况，主要结论如下：

（1）在冲击速度为1.42 m/s时（即闭孔泡沫铝处于屈服平台阶段），闭孔泡沫铝使两组试件冲击力峰值平均降低了69.69%和61.33%，降低幅度大；在冲击速度为1.84 m/s时（即闭孔泡沫铝处于致密化阶段），闭孔泡沫铝使两组试件冲击力平均降低了28.25和24.49%，降低幅度缩小。

（2）在冲击速度为1.42 m/s时，撞击后闭孔泡沫铝使两组试件的顶端位移平均降低了40.49%和32.13%，应变峰值平均降低了30.73%和33.43%；在冲击速度为1.84 m/s时，闭孔泡沫铝反而使两组试件的顶端位移平均增加了20.14%和10.16%，钢筋应变峰值平均增加了5.90%和10.19%。

（3）两组试件裂缝的发展衍生均以典型的弯曲裂缝为主，在冲击速度达到1.42 m/s之前，闭孔泡沫铝能够延缓裂缝的开展使两组混凝土的平均波速相对增加了0.04 km/s和0.03 km/s，减小了桥墩的损伤；在冲击速度达到1.67 m/s之后，闭孔泡沫铝加大了桥墩裂缝的发展使两组混凝土的平均波速降低了0.983 km/s和0.233 km/s，加大了桥墩的损伤。

4 讨论

本试验研究中对比两组试件发现闭孔泡沫铝缓冲材料防护的钢筋混凝土试件在冲击能量的累积作用下表现出了不同的作用。闭孔泡沫铝对桥墩撞击响应的影响与其所处的阶段有关，在冲击能量累积不超过3 498J时，处于屈服平台阶段的闭孔泡沫铝材料能够大量吸收冲击能量减小桥墩的动态响应，对桥墩起到保护作用；在冲击能量累积超过3 498J时，进入致密化阶段的闭孔泡沫铝材料加大了桥墩的动态响应，对桥墩的安全构成了威胁，建议及时的更换闭孔泡沫铝吸能缓冲材料，防止致密化的泡沫铝给防护结构带来更大的损伤。