楊 帥，夏曉舟，方從啟

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098；3.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

受腐蝕鋼筋混凝土墩柱抗側(cè)向沖擊的數(shù)值分析

楊 帥1，2，夏曉舟2，方從啟3

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098；3.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

采取在幾何模型的混凝土保護層上預(yù)置順筋的微裂紋和減小銹蝕區(qū)域鋼筋截面直徑的方式來簡化受腐蝕的鋼筋混凝土橋墩的有限元模型，使用LS-DYNA仿真分析了受腐蝕鋼筋混凝土墩柱抗側(cè)向沖擊的全過程。從沖擊過程中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化、鋼筋應(yīng)變的時歷值和混凝土墩柱的破壞形態(tài)等方面與試驗結(jié)果進行了對比，驗證了簡化建模的可行性和仿真計算的正確性。為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受碰撞的研究提供了計算依據(jù)，并為受碰撞的鋼筋混凝土構(gòu)件的殘余承載力計算和耐久性評估提供參考。

鋼筋混凝土；橋墩；腐蝕；沖擊；非線性動力學

0 引言

瀕海地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到海洋環(huán)境的長期侵蝕，銹蝕了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早地損壞，從而喪失了結(jié)構(gòu)的耐久性，這已成為水工工程中的一個重要危害。大量混凝土結(jié)構(gòu)的過早失效是環(huán)境作用誘發(fā)混凝土內(nèi)部化學演變和結(jié)構(gòu)承載力下降雙重作用的結(jié)果。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在其服役周期內(nèi)不可避免地面臨極端動態(tài)荷載環(huán)境，比如交通結(jié)構(gòu)受車輛撞擊、海洋結(jié)構(gòu)或近海結(jié)構(gòu)受浮冰或行船撞擊、防御結(jié)構(gòu)受彈射或飛機撞擊等。

劉建成和顧永寧[1]模擬了船舶撞擊橋梁承臺的案件，表明數(shù)值模擬的方法比傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式和簡化解析法更為精確；肖波等[2]對橋墩防撞裝置進行了碰撞動力學分析；王君杰和陳誠[3]對橋梁的船撞力設(shè)計荷載和損傷狀態(tài)進行了研究，討論了材料本構(gòu)模型參數(shù)的取值；張南等[4]開展了側(cè)向沖擊下的混凝土橋墩的動力性能研究；袁正國[5]進行了浮冰撞擊橋墩的數(shù)值分析，對比了多個因素對撞擊力的影響；陸新征等[6-7]對鋼筋混凝土T梁橋以及剛性墻的碰撞開展了數(shù)值分析；田力等[8]開展了車輛撞擊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的模擬研究；鄧昭金[9]基于混凝土損傷本構(gòu)模型研究了爆炸沖擊波在混凝土中的傳播特性；劉海峰和韓莉[10]利用直錐變截面式SHPB對混凝土和水泥砂漿進行3種不同沖擊速度下動態(tài)力學性能試驗，分析了沖擊速度對混凝土動態(tài)力學性能影響規(guī)律；何慶鋒等[11]采用LS-DYNA對2個單層、4個3層鋼筋混凝土框架在沖擊荷載作用下的抗倒塌性能進行了數(shù)值模擬分析，對比分析計算了沖擊作用下各框架的內(nèi)力、位移以及破壞過程等。綜合以上研究現(xiàn)狀，目前的研究多集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被沖擊的數(shù)值模擬以及相關(guān)混凝土本構(gòu)模型的開發(fā)上，對受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（帶有初始缺陷的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的沖擊數(shù)值模擬還鮮有研究。并且在橋梁防撞計算中，均是在橋梁完好沒有被侵蝕的狀態(tài)下考慮船舶撞擊橋墩的動態(tài)荷載作用。

本研究采取在幾何模型的混凝土保護層上預(yù)置順筋的微裂紋和縮小銹蝕鋼筋截面直徑的方式來簡化受腐蝕的鋼筋混凝土橋墩，使用顯式動力學軟件LS-DYNA分析了受腐蝕的鋼筋混凝土橋墩抵抗側(cè)向沖擊的全過程。從系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化過程、鋼筋應(yīng)變的時歷值和混凝土墩柱的破壞形態(tài)與試驗結(jié)果的對比，驗證了簡化建模的可行性和仿真計算的正確性。

1 墩柱沖擊試驗

1.1 試件制備

墩柱試件尺寸如圖1所示。墩身截面對稱配置8根直徑10 mm縱筋，箍筋為直徑6 mm的HPB235鋼筋，墩頂和墩底采用構(gòu)造配筋，澆筑C30混凝土，保護層厚度為20 mm。

圖1 試件尺寸和配筋(mm)Fig.1 Section dimension and reinforcements of specimen(mm)

采用縱筋直接通電加速腐蝕方案，通過控制電流與時間來控制鋼筋的質(zhì)量銹蝕率。將試件放入5%NaCl溶液中充分浸泡72 h后通電，設(shè)置鋼筋的目標腐蝕率為5%，設(shè)定每根縱筋的電流強度為0.2A、通電時間158 h。試驗完成后，鑿取鋼筋稱重，獲得實際銹蝕率為5.20%。

1.2 沖擊試驗

采用落錘沖擊試件等效研究墩柱受側(cè)向撞擊的問題。落錘為方形塊體，落錘與混凝土試件之間放置圓柱形凸型沖擊墊塊；采用千斤頂對試件施加軸向力。沖擊加載試驗如圖2所示。

圖2 沖擊加載試驗Fig.2 Impact experiment

2 有限元建模

2.1 幾何建模

銹蝕后鋼筋的體積膨脹使得其周邊的混凝土受到膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土保護層脹裂或剝落，銹蝕后的混凝土墩柱分布著沿縱筋的裂紋。依據(jù)試件的幾何尺寸（見圖1）建立墩柱試件的幾何模型，在墩柱的混凝土保護層上預(yù)設(shè)8根順著縱向鋼筋的微裂紋（0.1 mm），深度以到縱向鋼筋為止，長度為通電加速腐蝕的高水位為止。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS有限元建模時，模型中各部件、材料和單元類型的匹配列于表1中。

為了準確地模擬撞擊后混凝土橋墩的破壞，細化了落錘碰撞接觸區(qū)的網(wǎng)格，設(shè)置墩柱中間的撞擊區(qū)域單元網(wǎng)格的長度為0.002 m，其他區(qū)域單元網(wǎng)格的長度為0.004 m，上下墩臺以及沖擊物塊的單元網(wǎng)格的長度為0.01 m，混凝土墩柱受沖擊的有限元模型如圖3所示。

表1 模型中各部件、材料和單元的匹配Table1 The match of part,material and element type

圖3 橋墩沖擊有限元模型Fig.3 Finite element model of the reinforced concrete pier

相應(yīng)區(qū)域的鋼筋單元的網(wǎng)格長度也作類似規(guī)格的加密處理。根據(jù)通電腐蝕試驗的結(jié)果，試件鋼筋的銹蝕會影響到水面上5 cm左右。假設(shè)縱筋和箍筋不被腐蝕，認為在0耀46 cm的范圍內(nèi)縱筋的直徑從10 mm被銹蝕成了9.525 mm，其計算銹蝕率也是5.20%（與實際通電加速銹蝕試驗的銹蝕率一致）。

2.3 材料模型

2.3.1 鋼質(zhì)材料的本構(gòu)參數(shù)

使用ANSYS/LS-DYNA進行非線性動力學仿真時，縱筋、箍筋和墩臺鋼筋采用雙線型隨動強化本構(gòu)模型（#MAT3）；為了減少計算量、提高計算速度以及根據(jù)實際材料的性質(zhì)，將落錘和鋼質(zhì)底座設(shè)置為剛體（#MAT20），各部分鋼質(zhì)材料的本構(gòu)參數(shù)取值如表2所示[6]。

表2 鋼質(zhì)材料參數(shù)表Table2 Material parameter of steel

2.3.2 混凝土材料的本構(gòu)參數(shù)

混凝土材料選用Karagozian&Case，Inc.開發(fā)的Concrete Damage本構(gòu)模型（#MAT72R3），又稱為K&C本構(gòu)模型，該模型中忽略混凝土拉伸時候的應(yīng)變率，僅僅計及混凝土被壓縮時的應(yīng)變率，其模型的參數(shù)取值見表3[9]。

表3 混凝土損傷模型（#MAT72R3）計算參數(shù)Table3 Computational parameters for concrete damage constitutive model(#MAT72R3)

3 仿真分析

為了減少計算的迭代時間和簡化建模，統(tǒng)一將沖擊物塊的模型建立在距離混凝土墩身0.03 m的高處，使沖擊物塊進行有初速度的自由落體運動，設(shè)定數(shù)值計算的截止時長為0.03 s。

使用混凝土材料本構(gòu)模型配合LS-DYNA的*MAT_ADD_EROSION建立失效準則。數(shù)值求解時，通過對比該失效準則，判斷單元是否失效。當單元被判斷為失效后，該單元將會從模型中被自動刪除，與該失效單元相關(guān)聯(lián)的所有節(jié)點也將被自動刪除。不考慮混凝土和鋼筋的粘結(jié)滑移，添加*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID的約束，將鋼筋約束在混凝土中。落錘單元與混凝土單元、混凝土單元與鋼質(zhì)底座單元的碰撞接觸均設(shè)定為面-面自動接觸，落錘單元與墩柱中鋼單元的碰撞接觸設(shè)定為面-節(jié)點自動接觸。

3.1 能量校核

ANSYS/LS-DYNA中通過定義沙漏能來描述抵制零能模式下的變形消耗的能量，系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換是否合理是檢驗計算模型是否有效的標準之一，數(shù)值模擬試件的受側(cè)向沖擊作用下的動力性能，主要是考察數(shù)值模型的能量轉(zhuǎn)換是否準確。圖4所示為墩柱試件在沖擊過程中整個系統(tǒng)的能量變化曲線。整個沖擊的過程中，系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和沙漏能，沙漏能占總能量和內(nèi)能的比例都小于10%，認為所建立的有限元模型和LSDYNA的顯式?jīng)_擊計算是合理和可靠的。

3.2 仿真計算與結(jié)果驗證

沖擊模擬時，可以獲得落錘的加速度、混凝土和鋼筋的Von Mises應(yīng)力等時歷曲線。同時，除去因被判斷單元失效而被刪除的單元，混凝土的Von Mises應(yīng)力峰值和鋼筋Von Mises應(yīng)力峰值分別為42.87 MPa和193.3 MPa。試件受拉區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)變時歷曲線作為檢驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值仿真方法是否可行和準確的主要依據(jù)，將鋼筋S3應(yīng)變片的實測時歷曲線和數(shù)值仿真曲線對比于圖5中，并將試驗后的混凝土墩柱試件的破壞形態(tài)（圖6（a））和仿真計算的破壞形態(tài)（圖6（b））進行對比。從對比結(jié)果可以看出，開始沖擊時刻和結(jié)束沖擊時刻等時間點都比較接近；S3鋼筋應(yīng)變的仿真值與試驗值較接近，并且曲線的形態(tài)也基本類似。說明在混凝土保護層的幾何模型上設(shè)置順著縱筋的微裂紋和縮小銹蝕區(qū)縱筋截面直徑的ANSYS建模方式模擬受腐蝕的鋼筋混凝土橋墩，以及LS-DYNA顯式動力分析的方式，能較為準確地模擬受腐蝕鋼筋混凝土墩柱抗側(cè)向沖擊的過程。

圖4 試件沖擊過程中的系統(tǒng)能量曲線Fig.4 System energy curve during specimen impacted process

圖5 鋼筋S3應(yīng)變時程曲線Fig.5 Time history curve of S3 strain gauge

圖6 墩柱試件的沖擊破壞形態(tài)Fig.6 Impact failure mode of the corroded reinforced concrete pier

4 結(jié)語

本文采用ANSYS建模和LS-DYNA顯式動力分析的方式，采取在墩柱保護層幾何模型上設(shè)置順著縱向鋼筋的微裂紋和縮小銹蝕鋼筋截面直徑的方式模擬受腐蝕的鋼筋混凝土橋墩，基于混凝土損傷本構(gòu)模型，對物塊側(cè)向沖擊鋼筋混凝土墩柱的過程進行了仿真。整個沖擊過程系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化中，沙漏能占總能量和內(nèi)能的比例小于10%，驗證所建立的有限元模型和LS-DYNA的顯式?jīng)_擊計算是合理和可靠的；沖擊過程中的鋼筋應(yīng)變的時歷值以及墩柱的破壞形態(tài)與試驗結(jié)果對比，驗證了仿真計算的正確性。可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受碰撞的研究提供計算依據(jù)，并對受碰撞的鋼筋混凝土構(gòu)件的殘余承載力計算和耐久性評估提供參考。

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Numerical analysis of lateral anti-impact on the corroded reinforced concrete pier

YANG Shuai1,2,XIA Xiao-zhou2,FANG Cong-qi3
（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;3.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

In order to simulate the corroded reinforced concrete pier,the micro-crack of the concrete cover along the longitudinal reinforcement and reduction diameter of the reinforcement section are pre-set in the geometry model.The lateral anti-impact properties of the reinforced concrete pier in ocean environment are analyzed by using the dynamic explicit finite element software LS-DYNA.The translation process of the system energy,the time history value of strain gauge and failure mode of the corroded reinforced concrete pier are compared with the experiment results.The feasibility of the simplified finite element modeling and the validity of the numerical simulation are validated.It can provide computation references to reinforced concrete structures under impacting,and also provide evidence for the residual bearing capacity and durability test of reinforced concrete members.

reinforced concrete;pier;corrosion;impact;non-linear dynamics

U656

A

2095-7874（2017）12-0025-05

10.7640/zggwjs201712006

2017-04-27

2017-05-25

國家自然科學基金項目（51178264）

楊帥（1986— ），女，江西九江人，博士，工程師，主要從事混凝土耐久性和抗沖擊性能等方面的研究。E-mail：s_yang54@163.com