行车落物作用下钢筋混凝土箱梁破坏形态分析

琚利平，王银辉，陆晓宏，单继栋

(1. 浙江省交通集团检测科技有限公司，浙江 杭州 310012； 2. 浙大宁波理工学院 土木建筑工程学院，浙江 宁波 315100；3. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 4. 宁波市交通规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315100)

0 引 言

滚石、落物或车辆侧翻等事故会对公路构造物、桥梁上部结构产生冲击作用，导致构造物和桥梁出现不同程度的整体或局部损伤[1-3]。行车落物指桥面行驶车辆所载意外坠落的重型货物[4]，如大型钢材、构件、大型轴承、甚至侧翻的集装箱。行车落物落地速度一般在5～7 m/s，冲击质量较大，是典型的冲击荷载。冲击荷载作用下，由于混凝土应变率敏感性、惯性力效应和局部非线性塑性变形等原因，破坏形态和破坏机理与静载和普通动载作用存在较大差异[5-7]。

国内外学者对冲击作用下，钢筋混凝土梁的动力响应和破坏特征进行了较为深入的研究。冲击作用下，钢筋混凝土梁的破坏过程分为局部响应和整体响应两个阶段[5,8]。局部响应阶段是指，在冲击作用前期较短时间内冲击力迅速达到峰值，而动力响应未传递到支座，结构局部剪力较大，往往引起剪切或弯剪破坏；在整体响应阶段，动力响应已经传递到结构大部或全部，冲击力逐渐减小，为常规结构振动。所以，冲击作用与普通动载作用区别主要在于局部响应阶段。随着冲击速度增大，钢筋混凝土结构在前期局部响应阶段的作用更加突出，剪切机制占主导性，如冲击速度大于15 m/s会产生冲切破坏[9-12]。可见，常规按静载和普通动荷载效应设计的钢筋混凝土结构，在冲击荷载作用下，往往在局部出现抗剪能力不足导致的破坏。

国内外关于冲击荷载作用下，钢筋混凝土梁破坏特征的研究，主要集中在简单矩形截面梁，针对箱梁结构在冲击荷载作用下的损伤破坏形式及机理研究还很少。笔者结合有限元数值模拟和实际调查，开展钢筋混凝土箱梁结构在行车落物等冲击作用下的破坏形态和损伤破坏机理研究，为进一步开展提升冲击荷载作用下，桥梁结构安全性能研究提供基础。

1 箱梁受冲击后损伤形态

宁波某匝道桥梁的一联四跨混凝土连续箱梁，上部结构为单箱双室等高度箱梁，梁高1.5 m，顶板宽10.5 m，底板宽6.2 m，顶板厚24 cm，底板厚24 cm，腹板厚20～50 cm，如图1。2018年4月28日，一辆载有钢卷的半挂牵引车在匝道第五联上行驶时，因车身侧翻，所载钢卷冲击于桥面上，引起第17跨(16#～17#墩)桥面和箱梁严重损伤。

图1 受损桥梁布置(单位：cm)Fig. 1 Damaged bridge layout

失事车型为半挂车，平板距地面1.5 m左右，跌落钢卷重2 t，落地位置为第17跨桥面，横向位于护栏内侧2 m左右，纵向位于跨中附近，如图2。

图2 行车落物冲击桥梁位置Fig. 2 Position of bridge impacted by falling objects

事故导致箱梁产生严重的裂缝，如图3、图4，主要为翼缘板横纵向交织裂缝和腹板斜裂缝。箱梁裂缝开展情况如表1。

图3 第17跨(16#～17#桥墩)右侧腹板和翼缘板裂缝分布(展开)Fig. 3 Expansion diagram of crack distribution on right web and flange plate of span No.17 (pier No.16—No.17)

图4 裂缝照片Fig. 4 Photograph of fracture

表1 裂缝分布Table 1 Fracture distribution

由裂缝情况可见，钢卷冲击作用导致箱梁产生三类裂缝:①翼缘板上冲击作用位置四周的剪切裂缝；②翼缘板根部上下贯通的剪切裂缝；③靠近腹板位置自冲击点附近向支座延伸的弯剪八字形斜裂缝。初步分析，冲击作用首先造成箱梁翼缘板作用点附近形成四周分布的局部剪切破坏，然后造成翼缘板整体根部剪切破坏及箱梁腹板的弯剪破坏。另外，该桥梁后期加固时发现，腹板斜裂缝底部裂缝向底板内发展趋势。

2 有限元分析

笔者以研究梁体损伤破坏状态为目标，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，建立力学模型进行数值模拟。由于导致桥梁结构产生损伤的落物一般为刚度较大的大质量物体，落物落地后本身可能产生一定变形，但一般不会散体，吸能程度较少，为简化分析过程，笔者将落物钢卷按实际尺寸及质量模拟成刚体。同样，为简化计算并规整网格划分，将箱形截面等效成翼缘板等厚和腹板等厚形式。

2.1 建模参数

落物钢卷、混凝土和支座垫板均采用Solid单元，钢筋采用Beam单元。其中钢卷和支座垫板采用*Mat_ RIGID刚体材料模型，混凝土和钢筋分别采用*Mat_CSCM CONCRETE、*Mat_PLASTIC _KINEMATIC塑性材料模型，如表2。

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

参考文献[4]，梁体混凝土本构模型采用MAT-159-CSCM连续面盖帽模型，混凝土设计强度为C50。该材料模型能将混凝土压缩、拉伸、破坏响应过程分为弹性、塑性及损伤软化几个阶段，能很好考虑材料的硬化、损伤和应变率相关性。混凝土材料模型和钢筋材料模型主要参数见表3。

表3 材料参数表Table 3 Material parameter table

钢筋与混凝土采用共节点建模，不考虑粘结滑移。落物与梁体、梁体与支座垫板之间采用自动面面接触(*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE)，纵筋、箍筋与混凝土为防止自身穿透采用自动点面接触(*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE)方式，摩擦系数为0.3。

LS-DYNA采用单点高斯积分，存在零能模态。为控制沙漏能，计算中设置了该软件专门用于冲击计算的刚性计算公式4，其中沙漏系数设为0.03。落物设置为带初速度冲击的形式，落物与梁体之间初始距离10 mm，落物钢卷质量2 000 kg，冲击速度为5.77 m/s(按高度自由落体计算得到)。

2.2 数值分析

模型分为四个部分(PART)：落物、梁体、普通钢筋和支座垫板，如图5。

图5 模型结构Fig. 5 Model structure

2.3 工况分析

事故现场钢卷掉落情况较为复杂，过程无法精确模拟。为了研究各种可能发生的落物冲击作用下箱梁损伤破坏情况，笔者以现场情况为依据，共设定5种工况分别进行分析，如表4、图6。其中工况2包含两种状况，分别为落物撞击作用点为中腹板和边腹板顶，纵向作用位置为跨中。

图6 荷载作用位置Fig. 6 Schematic diagram of loading position

表4 分析工况说明Table 4 Description of analysis conditions

3 箱梁冲击破坏特征

冲击作用下，结构响应局部化特点明显，不同作用位置下，破坏形态和特征存在较大差异，笔者按不同冲击作用位置特征分析箱梁破坏形态。

3.1 冲击力时程曲线

冲击作用时程曲线是冲击作用响应的重要参数，各个工况(不同冲击作用位置)时冲击力时程曲线如图7。

图7 不同荷载工况下的冲击力时程曲线Fig. 7 Time-history curve of impact load under different load conditions

由图7可知，工况1、3、4，冲击力峰值较小，且持续时间较短。工况2冲击力峰值较大，且持续时间较长。

顶板和翼缘板均为板结构，冲击作用下首先产生作用点附近板结构的局部动力响应，由于顶板和翼缘板抵抗竖向变形刚度较小，导致板结构形成较大变形，乃至出现损伤破坏，故冲击力峰值较小。腹板抵抗竖向变形刚度大，冲击力峰值较大。

由此可知，落物作用于箱梁横向不同位置时，冲击力峰值存在较大差异，动力响应局部化特征明显。落物作用于顶板、翼缘板时，冲击力峰值远小于作用于腹板位置，且作用位置越靠近腹板，竖向变形刚度越大，冲击力峰值越大。

3.2 塑性应变区域

冲击作用于箱梁不同位置时，动力响应局部化特征明显。当落物作用于顶板、翼缘板及腹板上时，首先会在作用点附近产生变形和应变，甚至于损伤破坏，所以动力响应无法用全截面内力和抗力来分析，而只能用应力-应变进行分析。在冲击动力学问题的数值模拟中，一般用损伤后的塑性应变云图分布进行描述。笔者将利用混凝土的塑性应变区域，描述箱梁不同位置的破坏形态。

3.2.1 落物冲击对顶板或翼缘板影响

当落物冲击作用于顶板或翼缘板时，首先在作用点附近产生环形的塑性应变区域，冲击作用时间2 ms时，作用位置附近的塑性应变区平面图如图8(图中灰白色的区域为产生塑性应变区域，颜色越白亮，说明塑性应变越大，损伤破坏越严重)。

由图8可知：①落物冲击作用于翼板或顶板后，作用位置附近出现环状的塑性应变区，这与图3翼缘板上4条裂缝围成矩形现象一致；②由于翼缘板作用位置一侧靠近边腹板，在翼缘板根部出现较大的塑性应变区，这同样在图4(b)的根部裂缝可证明；③由于板在两个方向支撑条件不同，翼缘板上塑性应变区域为不对称环状，腹板的存在阻止了塑性应变向区域另一侧顶板发展。

图8 有效塑性应变Fig. 8 Effective plastic strain diagram

3.2.2 落物冲击对腹板影响

分析工况2与工况3对腹板的影响。图9分别为工况3中腹板和边腹板的塑性应变立面图。

由图9可知：①当落物冲击作用腹板，或翼板靠近腹板区域，均会造成腹板产生沿梁长方向呈八字形分布的斜向塑性应变区，这与图5腹板上八字形分布裂缝，及图6(a)斜裂缝现象一致，其他腹板未发现塑性应变区；②腹板跨中位置下缘塑性应变发展不明显，可见因弯曲导致的腹板下缘裂缝较少，落物冲击作用下腹板主要以斜截面破坏为主；③工况3腹板的塑性应变区发展较工况2小，可见落物冲击直接作用于翼缘板，翼缘板产生剪切破坏消耗了部分冲击动能，减缓了腹板的破坏程度。④腹板出现塑性应变时间为6～7 ms，顶板、翼缘板出现塑性应变时间为2 ms左右，说明动力响应由顶板至腹板存在传递时间差。

图9 边腹板有效塑性应变Fig. 9 Effective plastic strain diagram of edge web

工况1由于作用位置距离腹板较远，冲击作用对腹板的影响进一步减小，限于篇幅，笔者未列这两种工况下腹板产生的塑性应变。

3.2.3 落物冲击对底板影响

落物冲击作用导致腹板产生斜裂缝后，继续向底板延伸发展，导致底板出现如图10底板上向另一侧腹板和支点斜向发展的塑性应变区。

图10 底板有效塑性应变Fig. 10 Effective plastic strain diagram of floor

由图10可知：①落物冲击作用不仅会导致作用位置的顶板、翼板和腹板出现损伤破坏，同样会由腹板塑性应变区斜向发展延伸至底板，且塑性应变区都是由受冲击的腹板向其他腹板发展，靠近受冲击腹板位置塑性应变大，远离位置则小；②底板出现塑性应变区时间为10 ms左右，发展滞后于腹板斜裂缝。

3.3 破坏特征分析

由不同工况下箱梁塑性应变区发展和分布状态分析可见，落物冲击作用下，钢筋混凝土箱梁动力响应和破坏形态局部化特征明显，且由局部损伤破坏向整体损伤破坏发展。

冲击作用位置越靠近腹板，冲击力越大，腹板因冲击作用导致的斜截面剪切破坏越严重；冲击作用位置越远离腹板，冲击力越小，顶板局部剪切破坏消耗更多能量，从而减小了对腹板的冲击效应。

落物对箱梁的冲击作用传递规律为：落物冲击作用位置附近的箱梁顶板或翼缘板产生环形塑性应变区，冲击作用响应传递至腹板后可能导致腹板产生斜向八字形塑性应变区，并由腹板底部沿底板发展。

4 结 论

通过数值模拟分析和实桥在行车落物作用下的损伤破坏状况对比，得到在落物冲击作用下，钢筋混凝土箱梁损伤破坏形态的一般规律：

1)桥面行车落物的冲击速度可达5 m/s以上，冲击速度较大。当落物冲击桥梁时，产生的破坏和动力响应与静力荷载下有很大区别，各种损伤破坏呈现出明显的剪切破坏特征。

2)钢筋混凝土箱梁在冲击荷载作用下，冲击力作用效应和损伤破坏形态呈现局部化特点，形成由顶板作用位置向腹板和底板依次传递的过程，且随着局部位置损伤破坏消耗能量，冲击效应逐渐减小。

3)当冲击荷载作用于箱梁顶板和翼缘板时，冲击作用效应会向作用区域四周环向传递，当产生的内力超过承载能力时，在顶板和翼缘板产生纵横向交织的剪切裂缝，形成局部剪切破坏，属于典型的板冲击破坏形态。

4)冲击作用位置靠近腹板，或正好位于腹板上，冲击力会较迅速传递至腹板，腹板成为主要受力部位，产生八字形的斜裂缝，是典型的钢筋混凝土梁的冲击破坏形态，同时会在斜裂缝底缘向另一侧腹板和支点斜向传递。

5)冲击作用损伤破坏主要出现于冲击作用点附近的顶底板或腹板，而箱梁的其他腹板不会参与共同受力。