赵武超等：侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 411· 应要远远滞后于碰撞力发展.因此，在初始碰撞阶 900 50 段碰撞作用往往更易导致墩柱的剪切破坏.对碰撞 纵觞 直径28mm 力时程进行积分可以得到碰撞力的有效冲量为167 间距150mm kN·s,这反而大于冲击体的初始动量150kN·s. 箍筋 直径16mm 20 200 间距200mm 150 R800 一，-碰撞力 105 一位移 100 IFdt 50 970 7000 1000 25 50 100 图5钢筋混凝土墩柱有限元模型（单位：mm) 时间，ms Fig.5 Finite element model of reinforced concrete pier column 图7碰撞力和位移时程曲线 (unit:mm) Fig.7 Time history of the impact force and displacement 通过碰撞力F对碰撞点挠度s进行积分可得到 2 动态响应和损伤分析 碰撞荷载对柱整体所做的外力功W. 采用10t重的冲击体以15m's的速度撞击钢 W=Fds (2) 筋混凝土墩柱，其中轴压比取为0.07圆.图6给出 了不同时刻下墩柱的损伤状态.当t=3ms时，由于 碰撞过程中冲击体动能、墩柱各部分材料耗能 显著的惯性效应，墩柱损伤主要分布在碰撞位置附 和碰撞力所做的外力功时程曲线如图8所示.碰撞 近，支座附近的迎撞面均出现少量的水平裂缝，此时 力所做的外力功为833kJ,远小于冲击体的初始动 边界条件对响应的影响不太显著.当t=9ms时，碰 能1125kJ,也小于各部分材料耗能之和1045kJ.产 撞点处的损伤进一步扩展：碰撞点以上柱体出现了 生这一现象的主要原因是外力功的计算过程中忽略 一条斜裂缝，其传力机制类似拱机制.当t=30ms 了接触部位墩柱的局部变形.还可以观察到，碰撞 时，碰撞点处混凝土损伤程度加剧，并逐渐向墩底发 初始阶段墩柱主要依靠混凝土耗散碰撞能量，纵筋 展，碰撞点下方混凝土保护层发生了剥落和脱离. 和箍筋的内能则随着构件挠度增加而逐渐增加.当 当t=80ms时，冲击体与墩柱分离，损伤发展进入稳 t=8ms时，各部分材料耗能之和为698kJ,约占总冲 击动能的62%.通过上述对动量和能量的讨论可 定阶段 知，单纯从冲击体的初始动量和外力功来衡量冲击 损伤因子 0.999 作用可能不够全面：墩柱的耗能主要分为两部分：接 0.899- 触区域的局部耗能和墩柱整体耗能：碰撞力峰值区 0.799 间的冲击作用会显著地影响着墩柱的损伤程度. 599 田力与朱聪而建议采用竖向残余承载能力来 0499 0.399- 衡量遭受撞击后钢筋混凝土柱的损伤程度.然而， 0.299 0.199 Thilakarathna指出在冲击荷载作用下钢筋混凝土 0.099- 柱往往发生局部剪切破坏，此时柱往往对基于竖向 残余承载能力的损伤指标不太敏感.针对冲击荷载 图6冲击作用下墩柱损伤演变过程.(a)3ms:(b)9ms:(c) 具有作用面积的有限性和作用时间的短暂性等特 30 ms:(d)80 ms 点，将同一截面处单元损伤因子的平均值作为截面 Fig.6 Damage development of reinforced concrete pier under impact 损伤因子d,: loading:(a)3ms;(b)9ms;(c)30ms;(d)80 ms (3) 图7给出了碰撞力和碰撞点处墩柱位移时程曲 线.碰撞力峰值的有效持续时间在10s以内，而碰 式中，d为单元损伤因子，可根据单元应变能阈值判 撞点挠度约在35s时才达到最大值，可见位移响 断，详细描述见文献10]：n为截面的单元数目总赵武超等: 侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 图 5 钢筋混凝土墩柱有限元模型( 单位: mm) Fig． 5 Finite element model of reinforced concrete pier column ( unit: mm) 2 动态响应和损伤分析 采用 10 t 重的冲击体以 15 m·s － 1的速度撞击钢 筋混凝土墩柱，其中轴压比取为 0. 07［13］． 图 6 给出 了不同时刻下墩柱的损伤状态． 当 t = 3 ms 时，由于 显著的惯性效应，墩柱损伤主要分布在碰撞位置附 近，支座附近的迎撞面均出现少量的水平裂缝，此时 边界条件对响应的影响不太显著． 当 t = 9 ms 时，碰 撞点处的损伤进一步扩展; 碰撞点以上柱体出现了 一条斜裂缝，其传力机制类似拱机制． 当 t = 30 ms 时，碰撞点处混凝土损伤程度加剧，并逐渐向墩底发 展，碰撞点下方混凝土保护层发生了剥落和脱离． 当 t = 80 ms 时，冲击体与墩柱分离，损伤发展进入稳 定阶段． 图 6 冲击作用下墩柱损伤演变过程． ( a) 3 ms; ( b) 9 ms; ( c) 30 ms; ( d) 80 ms Fig． 6 Damage development of reinforced concrete pier under impact loading: ( a) 3 ms; ( b) 9 ms; ( c) 30 ms; ( d) 80 ms 图 7 给出了碰撞力和碰撞点处墩柱位移时程曲 线． 碰撞力峰值的有效持续时间在 10 ms 以内，而碰 撞点挠度约在 35 ms 时才达到最大值，可见位移响 应要远远滞后于碰撞力发展． 因此，在初始碰撞阶 段碰撞作用往往更易导致墩柱的剪切破坏． 对碰撞 力时程进行积分可以得到碰撞力的有效冲量为 167 kN·s，这反而大于冲击体的初始动量 150 kN·s． 图 7 碰撞力和位移时程曲线 Fig． 7 Time history of the impact force and displacement 通过碰撞力 F 对碰撞点挠度 s 进行积分可得到 碰撞荷载对柱整体所做的外力功 W． W = ∫ Fds ( 2) 碰撞过程中冲击体动能、墩柱各部分材料耗能 和碰撞力所做的外力功时程曲线如图 8 所示． 碰撞 力所做的外力功为 833 kJ，远小于冲击体的初始动 能 1125 kJ，也小于各部分材料耗能之和 1045 kJ． 产 生这一现象的主要原因是外力功的计算过程中忽略 了接触部位墩柱的局部变形． 还可以观察到，碰撞 初始阶段墩柱主要依靠混凝土耗散碰撞能量，纵筋 和箍筋的内能则随着构件挠度增加而逐渐增加． 当 t = 8 ms 时，各部分材料耗能之和为 698 kJ，约占总冲 击动能的 62% ． 通过上述对动量和能量的讨论可 知，单纯从冲击体的初始动量和外力功来衡量冲击 作用可能不够全面; 墩柱的耗能主要分为两部分: 接 触区域的局部耗能和墩柱整体耗能; 碰撞力峰值区 间的冲击作用会显著地影响着墩柱的损伤程度． 田力与朱聪［1］建议采用竖向残余承载能力来 衡量遭受撞击后钢筋混凝土柱的损伤程度． 然而， Thilakarathna［14］指出在冲击荷载作用下钢筋混凝土 柱往往发生局部剪切破坏，此时柱往往对基于竖向 残余承载能力的损伤指标不太敏感． 针对冲击荷载 具有作用面积的有限性和作用时间的短暂性等特 点，将同一截面处单元损伤因子的平均值作为截面 损伤因子 ds: ds = 1 n ∑ n 1 d ( 3) 式中，d 为单元损伤因子，可根据单元应变能阈值判 断，详细描述见文献［10］; n 为截面的单元数目总 · 114 ·