桥墩受车撞损伤评估研究综述

2024-01-19李兆祥韩艳覃宇翔北方工业大学土木工程学院北京100144

安徽建筑 2024年1期

李兆祥，韩艳，覃宇翔（北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 引言

桥梁作为重要的交通枢纽起着不可替代的作用，而伴随着高速公路数量、车辆数量及其载重水平的不断增加，车辆撞击桥墩的现象时有发生[1-2]，不仅容易造成桥梁损坏、人员伤亡，而且极易导致交通运输堵塞，严重影响人们的正常生活，严重威胁桥梁和交通安全，造成巨大的经济损失。2002年6月24日，美国南部得克萨斯州一辆载有47 名乘客的公共汽车行驶在高速公路上时撞上一座桥墩，桥墩撞击处部分混凝土脱落[3]；2010年9月26日，德国首都柏林南部的10号高速公路发生一起恶性交通事故，一辆波兰旅游大巴遭到一辆轿车侧面撞击后失控，撞上桥墩，致使桥梁受损但没有垮塌[4]；2020 年10 月，海张高速石家庄方向1405km+230m 处，一辆拉运大型罐体的货车与跨线桥桥墩发生碰撞，致使桥墩中部断裂，钢筋裸露，随后桥梁垮塌[5]。从上述事故可知，当桥墩遭受车辆撞击后，桥墩的损伤程度不尽相同，部分桥梁仍然具备通行能力，但部分桥梁由于损伤程度过于严重已经彻底丧失通行能力，必须拆除重建或者采取更换桥墩等措施。因此，一套切实可行的评估受车辆撞击后桥墩损伤程度的标准对及时评估桥梁的受损程度及是否适合继续承载显得尤为重要，而目前尚未有公认的评估标准。鉴于此，本文在广泛查阅相关文献的基础上，总结了国内外桥墩受车撞损伤评估方法的研究现状，提出了需要进一步研究的问题，以促进对车撞桥墩损伤评估标准的早日建立。

1 国内外研究现状

目前对于桥梁损伤评估的研究主要集中在地震损伤上[6-9]，对于车撞桥梁损伤评估的研究相对较少。从已有的研究成果来看，可大致将桥墩受车撞损伤评估分为定性评估和定量评估两种方法。

1.1 定性评估方法

邹江娜[10]采用有限元模拟方法对桥墩车撞损伤进行局部损伤评估和整体损伤评估，结果表明，桥墩底部截面的边界牢固程度对桥墩的这两种损伤影响最大，即边界条件的约束越弱，车辆冲击引起的桥墩损伤就越大，严重可导致桥墩从稳定状态变为滑动状态，此时必须对桥墩进行墩底加固，必要时需更换桥墩。对于混凝土桥墩而言，部分学者以车辆撞击后桥墩的裂缝开展状况为主要指标对桥墩损伤情况进行评估。周锡武等[11]利用落锤冲击试验系统，对两组不同配筋率的钢筋混凝土圆形桥墩进行不同累积作用的冲击试验，研究结果表明，在累计冲击能量与当次冲击能量相等时，桥墩正面碰撞的底部区域出现了水平弯曲裂缝，桥墩的损伤情况不仅与当次冲击的能量有关，还与累积冲击的方式有一定关系。

为了能够更直观地体现出桥墩损伤后的性能状态，部分学者提出了更加具体的评估标准。Lin Chen 等[12]利用有限元分析软件建立了车辆撞击桥墩概率模型，提出了一种基于性能的车辆碰撞钢筋混凝土桥墩的损伤评估方法，将桥墩的损伤状态划分为轻微损坏、严重损坏（桥墩的剪切破坏）和完全损坏（桥墩的倒塌）三种状态，同时提出了一种极限状态函数来评估在车辆碰撞下具有多根立柱的桥梁框架的倒塌，指出可以通过考虑不同的碰撞场景和桥梁类型来评估相关的结构性能。

由于碰撞位置的局部位移需求高，钢筋混凝土桥柱在遭受车辆碰撞的大多数失效案例中都会发生钢筋屈曲，因此，Omar I[13]将钢筋屈曲作为墩柱受车辆碰撞后的主要极限状态，并定义了三种不同的桥墩受车撞后的性能水平（见表1），同时提出了一种基于动量的等效静力简化方程，即式（1），通过验证，该方程的准确性超过90%，此方程可以根据预期的卡车荷载和速度来设计不同的桥墩以满足不同冲击力的需求。

表1 基于钢筋屈曲状态的桥墩受车撞损伤评估指标

式中：MBESF为撞击力等效静力；m为车辆质量，单位为ton；vr为车辆速度，单位为m/s；Pm为车辆动量，单位为ton·m/s。

Sharma H 等[14]对车辆碰撞造成的各种不同损坏状态进行分类并确定相应的性能水平，建议损伤级别按强度增加分为四个等级，并基于受车辆碰撞结构的四种可能损坏等级定义了三个性能水平。表2 列出了损坏等级、相关损坏描述、相应的性能等级以及性能水平的描述。该方法通过相应的性能水平确定动剪承载力和动剪需求，并据此进行基于性能的桥墩抗撞设计。但是动剪承载力和动剪需求均是所施加载荷的函数，并与结构构造和性质密切相关，需要建立复杂精细的有限元模型进行详尽的不同碰撞等级的模拟试算才能完成。

表2 受车辆碰撞钢筋混凝土柱的性能水平

1.2 定量评估方法

针对桥墩遭受车辆撞击后，桥梁的通行能力是否受到影响的问题，部分学者提出了桥墩损伤度、桥墩损伤指数等量化指标以便桥墩遭受车辆撞击后的性能水平等级划分。

1.2.1 桥墩损伤度

针对落石冲击钢筋混凝土桥墩的损伤研究，顾乡[15]利用LS-DYNA 软件建立落石冲击桥墩模型，借鉴丁阳等[16]评估钢筋混凝土桥墩地震损伤程度的方法，并结合爆炸冲击作用下桥墩的损伤程度，定义桥墩受落石撞击损伤度公式如式（2）所示。同时，借鉴墩柱地震损伤状态对应的损伤指标[17-20]，提出了落石冲击混凝土桥墩损伤指标，见表3。落石冲击钢筋混凝土桥墩的过程与车辆撞击桥墩的过程具有一定的相似性，因此，此损伤指标的提出对于车辆撞击桥墩损伤评估的研究有一定的借鉴意义。

表3 落石冲击混凝土桥墩损伤指标

式中：D表示桥墩损伤度；Nt表示桥墩受落石冲击作用后的剩余承载力；N0表示桥墩受落石冲击前的初始承载力。

刘山[21]采用LS-DYNA 软件模拟了不同质量、速度的车辆对双柱式混凝土圆形桥墩进行撞击的过程，提出了桥墩损伤主要分为侧向抗弯刚度的损失以及轴向承载能力的损失。由于桥墩主要承受竖向荷载，当车辆撞击桥墩时，混凝土区域会产生不同程度的裂缝，混凝土受压面积会减小。假设桥墩作为悬臂柱，在撞击后做类似单摆的自由振动，墩柱在振动过程中受弯，通过计算可知，截面开裂时，按中和轴位于圆心进行计算，不会对结果造成很大的影响，桥墩开裂最严重截面的截面形状近似椭圆形。此时，桥墩损伤度的本质就变成了混凝土开裂截面的开裂面积与原设计混凝土截面面积的比值，因此，桥墩损伤度可定义为：

式中：D1表示桥墩损伤度；Sy表示墩柱混凝土最大开裂截面剩余的截面面积；Sc表示墩柱初始截面面积。

刘山[21]还根据桥梁损伤度D1，提出了桥墩受车撞损伤的评估指标，见表4。

表4 桥墩车撞损伤评估指标

Zhou Xiwu 等[22-23]结合小车冲击钢筋混凝土桥墩模型试验，采用模态频率识别评估桥墩的损伤情况，定义了如公式（4）所示的基于模态频率的桥墩损伤度D2，并用传统的超声波损伤识别法[24-25]进行验证。结果表明，模态频率损伤因子与超声波声速损伤因子均与冲击速度或相同冲击速度下的冲击次数呈一次函数关系，且两者的曲线斜率相近，在两种评估标准下，桥墩损伤的发展及延伸情况一致，从而验证了基于一阶模态频率的桥墩损伤因子是可行的，并结合桥墩钢筋动应变等因素，提出了更为具体的受冲击作用下的钢筋混凝土桥墩损伤评估指标，见表5。

式中：D2表示桥墩损伤度；ω0表示墩柱撞击前的一阶频率；ωb表示墩柱撞击后的一阶频率。

1.2.2 桥墩损伤指数

R.W.Li等[26-27]采用LS-DYNA软件在已有的车桥碰撞有限元模型的基础上，对已有的车桥碰撞损伤评估方法进行了改进和扩展，提出了如式（5）所示的损伤指数λd，并提出了一种基于损伤指数λd的新的损伤评估标准，见表6。

式中：λd表示桥墩损伤指数；VPdsd=0.62Vpveh+ 200，VPveh表示车辆峰值冲击力；Vdsc表示桥墩动态抗剪承载力。

Zhou Deyuan 等[28]利用LS-DYNA建立了车辆与钢筋混凝土桥墩碰撞的精细化数值模型，通过对比多种冲击力的等效静力，得出局部等效静力（LESF）更适合用作汽车冲击力的结论。LESF 是由对车辆峰值冲击力50m/s内的瞬时冲击力的平均积分得到，考虑了车辆碰撞持续时间和车辆峰值冲击力的影响，并且车辆冲击力的高应变率效应也可以通过LESF得到反映，因此将局部等效静力与桥墩抗剪承载力的比值定义为如式（6）所示损伤指数λ，并据此将桥墩受车撞损伤分为四个等级，见表7。

式中：λ表示桥墩损伤指数；LESF为局部等效静力；F为桥墩动态抗剪承载力。

2 车撞桥墩损伤评估研究方向

目前关于桥墩受车撞损伤评估的研究还停留在理论研究阶段，尚未达到实用的程度。随着快速施工桥梁技术（ABC）[29]的发展，装配式桥墩的应用逐渐开始增多，而关于装配式桥墩受车撞后损伤评估的研究鲜有相关文献，因此，需对装配式桥墩受车撞损伤评估进行深入、系统的研究。同时，随着近年来超特大城市[30]的飞速发展，城市内车辆数量及载重水平不断增加，如何在桥墩受车撞损伤的定量评估研究中体现车速、车重以及车辆类型等公认的对桥墩损伤有重要影响的因素是需要进一步探索的问题。