·412 工程科学学报，第41卷，第3期 1200 冲击时间 900 2m8 330ms 2 落链动能 -60ms 600 混凝土内能 ····纵筋内能 箍筋内能 一-外力功 300 25 50 75 100 时间ms 图8系统能量变化过程 Fig.8 Varied processes of the system energy 0020.46.60.81.0 d 和.考虑到冲击荷载的局部效应比较显著，同时相 图9损伤因子沿高度的分布 邻截面的约束作用也会防止最不利截面处混凝土过 Fig.9 Distribution of damage factor along pier height 早失效.为了便于定性地衡量构件的破坏程度，采 性弹簧连接，弹簧刚度取值范围为20~2000MN· 用截面损伤因子来定义损伤程度：(1)轻度损伤， m-1.共分析了18组碰撞工况，用C1~C18表示， d.=(0~0.3):（2)中度损伤，d=(0.3~0.6): 具体参数取值如表1所示 (3)重度损伤，d,=(0.6~0.9):(4)构件失效， d=(0.9~1.0). 图9为不同时刻墩柱截面损伤因子沿高度的分 布情况.可以看出，当冲击体刚与柱接触时，损伤主 要集中在碰撞位置处：随着应力波的传递，混凝土损 伤逐渐向墩柱端部发展.最终柱的最大截面损伤因 子为0.895，所对应的破坏状态为重度损伤.值得注 意的是，当t=3ms时，墩柱在5m高度处的截面损 伤因子大于4m高度处的损伤因子，进一步表明初 图10带弹簧冲头的冲击体 Fig.10 Impact body with spring nose 始碰撞阶段柱的动力响应和受力机制与静载下具有 显著的差异.当t=12ms时，碰撞位置附近墩柱的 3.1轴力影响 截面损伤因子基本达到最大值，这表明柱的损伤基 不同轴压比时钢筋混凝土墩柱在相同冲击作用 本在首个碰撞力峰值区间内完成.由此可见，截面 下的损伤云图如图11C1~C4所示.可见，轴压比 损伤因子能够比较直观地描述冲击荷载下钢筋混凝 为0.07的墩柱破坏程度最轻：当轴压比为0.28时 土墩柱的损伤发展规律 墩柱在碰撞点下方发生了严重的剪切破坏，最后发 3参数分析 生压溃破坏.随着轴压比的增加，墩柱损伤分布趋 于向碰撞点附近集中，进而更易导致该部位发生剪 为了深入地探究钢筋混凝土墩柱的抗冲击性 切破坏.钢筋混凝土墩柱的破坏模式随着轴压比的 能，采用参数分析方法讨论了轴压比、碰撞刚度和冲 增加也逐渐从根部的弯剪破坏转变为碰撞点下方的 击能量等参数对其动态响应和损伤机理的影响.考 剪切破坏.这与刘飞等0得出的结论不同，其重要 虑到钢筋混凝土墩柱的轴压比一般在0.3以内，参 原因是刘飞采用的冲击体冲头为刚度较小的缓冲部 数分析中轴压比取值范围为0~0.28.通过修改冲 件，而本文中采用的是刚性冲头：同时钢筋混凝土柱 击体的密度来使得其质量范围为5~30t,冲击速度 的几何尺寸也相差较大.结合表1可知，碰撞力峰 的范围为5~25ms-1.为了考虑冲击体的碰撞刚 值随着轴压比的增加也逐渐增加，而碰撞点处最大 度对墩柱动态响应和损伤的影响，对原有刚性冲击 位移的变化规律则是先减小后增加.轴压比对碰撞 体进行了修改，如图10所示.冲头采用具有相同曲 冲量和各材料组分耗能影响不大.结果表明，在低 率的刚性壳单元模拟，冲击体的质量主要集中在后 轴压比时轴力才会对钢筋混凝土墩柱的抗撞能力产 部的刚性质量块，冲头和质量块通过有限刚度的线 生有利贡献：然而随着轴压比的进一步增加，轴压力工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 图 8 系统能量变化过程 Fig． 8 Varied processes of the system energy 和． 考虑到冲击荷载的局部效应比较显著，同时相 邻截面的约束作用也会防止最不利截面处混凝土过 早失效． 为了便于定性地衡量构件的破坏程度，采 用截面损伤因子来定义损伤程度: ( 1) 轻度损伤， ds = ( 0 ～ 0. 3) ; ( 2) 中度损伤，ds = ( 0. 3 ～ 0. 6) ; ( 3) 重度损伤，ds = ( 0. 6 ～ 0. 9) ; ( 4) 构件失效， ds = ( 0. 9 ～ 1. 0) ． 图 9 为不同时刻墩柱截面损伤因子沿高度的分 布情况． 可以看出，当冲击体刚与柱接触时，损伤主 要集中在碰撞位置处; 随着应力波的传递，混凝土损 伤逐渐向墩柱端部发展． 最终柱的最大截面损伤因 子为 0. 895，所对应的破坏状态为重度损伤． 值得注 意的是，当 t = 3 ms 时，墩柱在 5 m 高度处的截面损 伤因子大于 4 m 高度处的损伤因子，进一步表明初 始碰撞阶段柱的动力响应和受力机制与静载下具有 显著的差异． 当 t = 12 ms 时，碰撞位置附近墩柱的 截面损伤因子基本达到最大值，这表明柱的损伤基 本在首个碰撞力峰值区间内完成． 由此可见，截面 损伤因子能够比较直观地描述冲击荷载下钢筋混凝 土墩柱的损伤发展规律． 3 参数分析 为了深入地探究钢筋混凝土墩柱的抗冲击性 能，采用参数分析方法讨论了轴压比、碰撞刚度和冲 击能量等参数对其动态响应和损伤机理的影响． 考 虑到钢筋混凝土墩柱的轴压比一般在 0. 3 以内，参 数分析中轴压比取值范围为 0 ～ 0. 28． 通过修改冲 击体的密度来使得其质量范围为 5 ～ 30 t，冲击速度 的范围为 5 ～ 25 m·s － 1 ． 为了考虑冲击体的碰撞刚 度对墩柱动态响应和损伤的影响，对原有刚性冲击 体进行了修改，如图 10 所示． 冲头采用具有相同曲 率的刚性壳单元模拟，冲击体的质量主要集中在后 部的刚性质量块，冲头和质量块通过有限刚度的线 图 9 损伤因子沿高度的分布 Fig． 9 Distribution of damage factor along pier height 性弹簧连接，弹簧刚度取值范围为 20 ～ 2000 MN· m － 1 ． 共分析了 18 组碰撞工况，用 C1 ～ C18 表示， 具体参数取值如表 1 所示． 图 10 带弹簧冲头的冲击体 Fig． 10 Impact body with spring nose 3. 1 轴力影响 不同轴压比时钢筋混凝土墩柱在相同冲击作用 下的损伤云图如图 11 C1 ～ C4 所示． 可见，轴压比 为 0. 07 的墩柱破坏程度最轻; 当轴压比为 0. 28 时 墩柱在碰撞点下方发生了严重的剪切破坏，最后发 生压溃破坏． 随着轴压比的增加，墩柱损伤分布趋 于向碰撞点附近集中，进而更易导致该部位发生剪 切破坏． 钢筋混凝土墩柱的破坏模式随着轴压比的 增加也逐渐从根部的弯剪破坏转变为碰撞点下方的 剪切破坏． 这与刘飞等［4］得出的结论不同，其重要 原因是刘飞采用的冲击体冲头为刚度较小的缓冲部 件，而本文中采用的是刚性冲头; 同时钢筋混凝土柱 的几何尺寸也相差较大． 结合表 1 可知，碰撞力峰 值随着轴压比的增加也逐渐增加，而碰撞点处最大 位移的变化规律则是先减小后增加． 轴压比对碰撞 冲量和各材料组分耗能影响不大． 结果表明，在低 轴压比时轴力才会对钢筋混凝土墩柱的抗撞能力产 生有利贡献; 然而随着轴压比的进一步增加，轴压力 · 214 ·