撞击作用下自复位RC柱损伤分析*

张西冲， 刘长勋

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

0 引 言

目前国内外学者已采用LS-DYNA软件对钢筋混凝土构件抗撞性能开展了部分研究。Pham等[1]对钢筋混凝土(RC)梁在撞击荷载作用下的塑性铰和惯性力开展了数值分析。孟一[2]对RC梁的抗撞性能开展了数值分析，主要为铰支约束的梁抗力模型提供理论依据。曾翔等[3-4]对RC梁的抗撞性能开展了相关研究，主要分析了RC梁和RC深梁的动力特性。Kishi等[5]对不同配筋率RC梁的抗剪承载力开展数值分析，主要研究了等效静力抗剪荷载的计算方法。陈林[6]建立了RC梁的落锤有限元模型，并验证了等代车-桥撞击(CMCD)简化模型用于数值分析的合理性。Fujikake等[7]通过建立RC梁的落锤有限元模型，验证了梁在撞击作用下的荷载和位移理论计算公式。周德源、刘长勋[8]深入分析了桥墩在撞击荷载作用下的破坏机理和受力状态，并进一步研究桥墩在撞击荷载作用下动力响应与损伤程度的影响参数。为了进一步探究自复位结构对于RC桥墩水平撞击的影响，通过在文献[8]原有模型基础上加入预应力钢筋，建立自复位混凝土柱模型，得到了预应力下的损伤分布情况，并进一步分析了其损伤过程及受力机理。

图1 自复位混凝土柱示意图

图2 撞击车和自复位混凝土柱组装模型

1 有限元建立

混凝土柱选择 MAT_145材料本构来模拟，撞击车、普通钢筋以及撞击速度、接触设置均与文献[8]所验证的模型保持相同，并分别采用拉格朗日流固耦合法及共节点法模拟预应力筋与混凝土之间的接触见图1和表1。

表1 自复位混凝土柱设计参数

根据对有限元模型的多组工况进行参数分析，发现自复位混凝土柱在撞击荷载作用下的动力响应具有相似的发展规律，且并不容易发生剪切破坏。同文献[8]选取同样的一组典型工况来对撞击荷载作用下自复位预应力混凝土柱的动力响应过程进行分析介绍，组装模型及工况主要参数见图2及表2。

表2 撞击工况主要参数

2 损伤形态分析

2.1 预应力钢绞线

图3为自复位混凝土柱在上述撞击工况作用下，预应力钢绞线的 Von-Mises 应力云图。撞击初始时刻，自复位柱在撞击作用下会获得初速度，随后在预应力钢绞线的作用下自复位柱会绕中轴线发生摆动，由于结构体系本身阻尼的存在，因此自复位柱的振动实际上是有阻尼受迫振动，在振动过程中系统能量不断耗散直至最后静止，整个过程比普通撞击过程的模拟需要更长的计算时间。应力云图呈现了预应力钢绞线在撞击加载过程及卸载过程中的应力变化。

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图3表现了撞击加载过程下预应力钢绞线的应力变化，从应力云图可以看出在分析初始时刻，钢绞线中预应力已经施加成功，在第20ms时，受车辆撞击钢绞线中应力开始增大，并出现变形，此时左侧钢绞线的应力增加更快，随着撞击车辆的继续运动，钢绞线的轴向变形及应力持续增大，能够看出左侧钢绞线的应力远远大于另外两根钢绞线的应力，这是由于左侧钢绞线的轴向变形更大，随着撞击过程发展，撞击车辆运动速度逐渐减小至0，此时钢绞线应力达到最大1691MPa。

2.2 纵筋与箍筋

图4为自复位混凝土柱中钢筋的 Von-Mises 应力云图。整个撞击过程大概分为撞击加载阶段、撞击后的自由振动阶段。在第一个阶段中观察钢筋的应力云图可以发现，自复位混凝土柱放松了基础与柱脚之间的约束，在车辆撞击荷载的作用下自复位柱发生刚体位移，导致撞击能量大部分转换为自复位混凝土柱的动能，降低了自复位柱受到的撞击力，因此自复位柱中钢筋始终处于低应力状态，而撞击部位处应力约为普通钢筋混凝土柱的 1/3。

在撞击车回弹阶段，自复位柱中钢筋应力变化不明显，远低于屈服应力，而普通钢筋混凝土柱中钢筋相比于撞击时刻，会发生应力卸载，但由于撞击过程较为短暂，不能充分卸载，因而撞击部位处钢筋应力依旧明显高于其他部位。

2.3 混凝土

图5为撞击荷载作用下自复位混凝土柱的混凝土等效塑性应变云图。可以发现，在0时刻，混凝土无任何损伤，20ms时在撞击车头的作用下整体发生平动，此时撞击部位出现明显局部损伤，同时冲击波的影响使从撞击部位至背部斜向45°范围内出现了明显的损伤，这是因为撞击能量主要在这个范围内通过混凝土的变形传递，发生了明显的刚体移动，柱底部与基础之间由于摩擦的作用，柱底表面混凝土出现了损伤，甚至有少量混凝土单元删除。对比图4普通钢筋混凝土柱等效塑性应变云图，可以发现在撞击作用下自复位混凝土柱混凝土损伤主要是撞击部位及背部斜向的塑性变形，而在撞击部位与底部基础间没有明显的剪切斜裂缝。

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3 结 论

基于自复位混凝土柱水平撞击试验有限元模型，通过多次有限元模拟，深入分析了撞击作用下中自复位混凝土柱受力机理及损伤发展过程，在车辆撞击作用下预应力钢绞线的应力表现出明显的阶段特征，纵筋及箍筋除撞击时刻外一直处于低应力状态；而自复位混凝土柱损伤呈现出明显局部分布的特点，主要集中于撞击处及混凝土柱与基础接触表面，不会发生剪切破坏，这与普通混凝土柱由于剪切斜裂缝而破坏有明显不同。