赵武超等：侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 ·409· 近年来，恐怖袭击事件、山区落石地质灾害以及 时，与钢筋混凝土梁相比，钢筋混凝土墩柱抗冲击性 车船撞击作用等极端情况时有发生，进而对工程结 能的研究还比较有限. 构的可靠性和人们的生命财产安全造成巨大的考 本文基于数值仿真技术详细地讨论了钢筋混凝 验.由于现有设计规范中关于结构抗冲击设计方面 土墩柱在冲击作用下的动态响应和损伤机理.首先 的内容尚不完善，结构构件的冲击动态响应得到了 基于已有足尺钢筋混凝土梁冲击试验验证了数值模 很多专家学者的关注.桥梁结构作为生命线工程的 拟方法的可靠性，并建立了钢筋混凝土墩柱有限元 重要组成部分，其在冲击荷载下的安全性至关重要. 模型：研究了墩柱的损伤演变规律，并基于截面损伤 钢筋混凝土柱是结构中最重要的竖向承载构件，往 因子对其损伤程度进行了评定：最后，分析了轴压 往直接决定着整体结构的稳定性和安全性 比、碰撞刚度和冲击动能等参数对钢筋混凝土墩柱 田力与朱聪)基于受撞后钢筋混凝土柱的竖 的破坏模式和损伤机理的影响 向残余承载能力建立了构件的损伤评估方法，并分 1有限元模型 析了防护措施对柱的保护作用.程小卫等回对撞击 作用下钢筋混凝土柱的动力响应进行了数值研究， 1.1数值模拟方法的验证 分析了碰撞速度、质量、碰撞体形状、配筋率、混凝土 为了验证有限元模型建模方法和参数选取的 强度等级对变形和碰撞力的影响.Loedolff同对钢 可靠性，运用有限元软件LS-DYNA对Kishi与 筋混凝土悬臂柱的抗冲击性能进行了水平冲击试验 Bhatti开展的足尺钢筋混凝土梁落锤冲击试验进 研究.在此基础上，刘飞等0采用有限元方法研究 行了数值仿真.梁的几何尺寸和配筋情况如图1 有轴压钢筋混凝土柱在侧向冲击荷载下的破坏模式 所示.混凝土抗压强度为31.2MPa,骨料最大粒径 及其转换机理.Demartino等的和Cai等均开展了 为20mm.纵向钢筋和箍筋屈服强度分别为401 缩尺钢筋混凝土桥墩抗冲击性能试验研究.周晓宇 和390MPa.为了减小纵向钢筋的锚固长度，梁端 等切建立了钢筋混凝士桥墩在落石冲击荷载下的 部采用12mm厚的锚板与纵向钢筋焊接连接.试 抗剪性能可靠性分析方法，讨论了不同参数对墩柱 验中将质量为2t的刚性锤从10m高度处自由下 抗剪性能的影响.然而，由于实验条件的限制，现有 落来冲击钢筋混凝土梁，其中冲头半径为800mm, 试验研究主要集中于缩尺构件，而尺寸效应可能会 锤身为500mm半径的圆柱体，落锤总长度为 造成试验结果对原型构件的适用性难以保证圆.同 970mm. 500 厚锚板12 箍筋种13，间距250 11根纵筋029 88 8000 162 L676 162 9000 ,1000 图1钢筋混凝土梁的尺寸及配筋（单位：mm) Fig.I Dimension and reinforcement layout of reinforced concrete beams (unit:mm) 根据上述试验参数建立了冲击试验有限元模 型，如图2所示.钢筋混凝土材料模型采用美国联 邦公路局为进行钢筋混凝土护栏安全性分析而开发 的连续帽盖模型(MAT_CSCM_CONCRETE)O.该 模型能够较好地反映低围压下混凝土的应变率强 化、刚度退化和应变软化等力学行为，同时模型引入 标量损伤参数来定量地衡量混凝土单元的损伤程 图2冲击试验有限元模型 度.混凝土的单轴抗压强度和最大骨料粒径分别取 Fig.2 Finite element model for the impact test 为31.2MPa和20mm,其他材料参数均可由软件自 采用Cower--Symonds模型u来考虑材料应变率效 动生成.钢筋采用弹塑性随动硬化模型(MAT_ 应，钢筋动态屈服强度为： PLASTIC_KINEMATIC),弹性模量为2O0GPa,泊松 o/o=1+(G/D)14 (1) 比为0.3，塑性模量为1.5GPa,失效应变为0.12.赵武超等: 侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 近年来，恐怖袭击事件、山区落石地质灾害以及 车船撞击作用等极端情况时有发生，进而对工程结 构的可靠性和人们的生命财产安全造成巨大的考 验． 由于现有设计规范中关于结构抗冲击设计方面 的内容尚不完善，结构构件的冲击动态响应得到了 很多专家学者的关注． 桥梁结构作为生命线工程的 重要组成部分，其在冲击荷载下的安全性至关重要． 钢筋混凝土柱是结构中最重要的竖向承载构件，往 往直接决定着整体结构的稳定性和安全性． 田力与朱聪［1］基于受撞后钢筋混凝土柱的竖 向残余承载能力建立了构件的损伤评估方法，并分 析了防护措施对柱的保护作用． 程小卫等［2］对撞击 作用下钢筋混凝土柱的动力响应进行了数值研究， 分析了碰撞速度、质量、碰撞体形状、配筋率、混凝土 强度等级对变形和碰撞力的影响． Loedolff［3］对钢 筋混凝土悬臂柱的抗冲击性能进行了水平冲击试验 研究． 在此基础上，刘飞等［4］采用有限元方法研究 有轴压钢筋混凝土柱在侧向冲击荷载下的破坏模式 及其转换机理． Demartino 等［5］和 Cai 等［6］均开展了 缩尺钢筋混凝土桥墩抗冲击性能试验研究． 周晓宇 等［7］建立了钢筋混凝土桥墩在落石冲击荷载下的 抗剪性能可靠性分析方法，讨论了不同参数对墩柱 抗剪性能的影响． 然而，由于实验条件的限制，现有 试验研究主要集中于缩尺构件，而尺寸效应可能会 造成试验结果对原型构件的适用性难以保证［8］． 同 时，与钢筋混凝土梁相比，钢筋混凝土墩柱抗冲击性 能的研究还比较有限． 本文基于数值仿真技术详细地讨论了钢筋混凝 土墩柱在冲击作用下的动态响应和损伤机理． 首先 基于已有足尺钢筋混凝土梁冲击试验验证了数值模 拟方法的可靠性，并建立了钢筋混凝土墩柱有限元 模型; 研究了墩柱的损伤演变规律，并基于截面损伤 因子对其损伤程度进行了评定; 最后，分析了轴压 比、碰撞刚度和冲击动能等参数对钢筋混凝土墩柱 的破坏模式和损伤机理的影响． 1 有限元模型 1. 1 数值模拟方法的验证 为了验证有限元模型建模方法和参数选取的 可靠 性，运 用 有 限 元 软 件 LS--DYNA 对 Kishi 与 Bhatti［9］开展的足尺钢筋混凝土梁落锤冲击试验进 行了数值仿真． 梁的几何尺寸和配筋情况如图 1 所示． 混凝土抗压强度为 31. 2 MPa，骨料最大粒径 为 20 mm． 纵向钢筋和箍筋屈服强度分别为 401 和 390 MPa． 为了减小纵向钢筋的锚固长度，梁端 部采用 12 mm 厚的锚板与纵向钢筋焊接连接． 试 验中将质量为 2 t 的刚性锤从 10 m 高度处自由下 落来冲击钢筋混凝土梁，其中冲头半径为 800 mm， 锤身 为 500 mm 半 径 的 圆 柱 体，落 锤 总 长 度 为 970 mm． 图 1 钢筋混凝土梁的尺寸及配筋( 单位: mm) Fig． 1 Dimension and reinforcement layout of reinforced concrete beams ( unit: mm) 根据上述试验参数建立了冲击试验有限元模 型，如图 2 所示． 钢筋混凝土材料模型采用美国联 邦公路局为进行钢筋混凝土护栏安全性分析而开发 的连续帽盖模型( MAT_CSCM_ CONCＲETE) ［10］． 该 模型能够较好地反映低围压下混凝土的应变率强 化、刚度退化和应变软化等力学行为，同时模型引入 标量损伤参数来定量地衡量混凝土单元的损伤程 度． 混凝土的单轴抗压强度和最大骨料粒径分别取 为 31. 2 MPa 和 20 mm，其他材料参数均可由软件自 动生成． 钢筋采用弹塑性随动硬化模型 ( MAT _ PLASTIC_ KINEMATIC) ，弹性模量为 200 GPa，泊松 比为 0. 3，塑性模量为 1. 5 GPa，失效应变为 0. 12． 图 2 冲击试验有限元模型 Fig． 2 Finite element model for the impact test 采用 Cower--Symonds 模型［11］来考虑材料应变率效 应，钢筋动态屈服强度为: σd y /σs y = 1 + ( ε · /D) 1 / q ( 1) · 904 ·