李清陽(yáng), 張 南, 李界全, 高 閔, 陳佳佳, 沙笑笑
(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 211816)
近年來(lái),橋梁受到車、船的撞擊事故頻繁發(fā)生,造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重后果,因此橋梁的抗撞擊性能研究成為了工程界以及學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。在橋梁碰撞事故中,由于撞擊過(guò)程在瞬間完成,材料變形速度很快,應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料的強(qiáng)度以及構(gòu)件的承載力有很大的影響[2]。因此研究橋墩的撞擊抗剪強(qiáng)度,對(duì)橋梁的抗撞擊性能研究和城市交通安全具有重大意義。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪理論進(jìn)行研究,目的是為了合理地解釋其受剪機(jī)理,其中修正壓力場(chǎng)理論逐漸得到學(xué)術(shù)界的肯定。該理論由Collins等首次提出,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,CSA A23.3-94《加拿大混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中構(gòu)件抗剪計(jì)算方法就是以該理論為基礎(chǔ)[3~7]。魏巍巍等[8]基于修正壓力場(chǎng)理論,建立了鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算方法;朱偉慶等[9]在修正壓力場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上,采用正截面分析法建立高強(qiáng)度型鋼混凝土柱的受剪計(jì)算模型。
同時(shí)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)由于具有很高的強(qiáng)度和剛度以及較好局部和整體穩(wěn)定性,因此越來(lái)越受到工程界的青睞。李俊華等[10]進(jìn)行了型鋼混凝土柱抗剪性能試驗(yàn)研究;張莉杰等[11]采用疊加原理提出鋼骨混凝土橋墩斜截面承載力計(jì)算公式;張南等[12]進(jìn)行不同配鋼形式的鋼骨混凝土橋墩撞擊試驗(yàn),提出撞擊力峰值與抗撞強(qiáng)度之間的等效系數(shù)。目前對(duì)鋼骨混凝土橋墩撞擊抗剪強(qiáng)度研究并不常見(jiàn),為了深入了解鋼骨混凝土橋墩抗撞性能,本文進(jìn)行了鋼骨混凝土橋墩水平撞擊試驗(yàn),建立鋼骨混凝土橋墩撞擊抗剪強(qiáng)度計(jì)算模型。
本文的試驗(yàn)?zāi)P蛥⒖紭蛄簩?shí)際尺寸,按一定比例設(shè)計(jì)了6根橋墩試驗(yàn)?zāi)P?編號(hào)分別為D-1~D-6),進(jìn)行了車輛水平撞擊試驗(yàn)。撞擊點(diǎn)位置參考車輛撞擊橋墩的作用范圍,本文的試驗(yàn)裝置如圖1a所示。其中,D-1為普通鋼筋混凝土橋墩,D-2為內(nèi)置角鋼混凝土橋墩,D-3和D-5為截面相同的內(nèi)置槽鋼混凝土橋墩,D-4和D-6為截面相同內(nèi)置雙圓鋼管混凝土橋墩,截面如圖1b~1e所示。橋墩試件內(nèi)部由鋼骨和斜撐焊接形成鋼骨架,各橋墩模型截面縱向配筋率均為3.87%,D-2,D-3,D-4的橫向鋼骨等效配鋼率分別為0.59%,0.49%,0.76%。模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載,墩頂施加水平方向約束,按0.1的軸壓比施加豎向力,橋墩模型簡(jiǎn)化成頂端簡(jiǎn)支,底端固支的超靜定結(jié)構(gòu),如圖1f所示。橋墩模型的鋼材性能如表1所示,表中:fy為鋼材屈服強(qiáng)度;Es為鋼材彈性模量。
圖1 橋墩模型撞擊試驗(yàn)示意圖/mm
鋼材種類101212141622fy/MPa379406486454412472Es/×105 MPa2.02.02.02.02.02.0
1.2.1試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)改變落錘的高度來(lái)獲得撞擊能量,橋墩模型破壞形態(tài)如圖2所示。6根橋墩模型在水平撞擊荷載下均發(fā)生剪切破壞,撞擊點(diǎn)至橋墩根部出現(xiàn)了斜裂縫,同時(shí)撞擊點(diǎn)背面出現(xiàn)水平裂縫。
圖2 橋墩模型撞擊破壞形態(tài)
對(duì)比圖2中的破壞形態(tài)可知,普通鋼筋混凝土橋墩模型主要有一條較寬的斜裂縫,裂縫處混凝土發(fā)生剝落;內(nèi)置角鋼、內(nèi)置槽鋼以及內(nèi)置雙圓鋼管的混凝土橋墩模型均出現(xiàn)多條斜裂縫。說(shuō)明內(nèi)置鋼骨與箍筋形成骨架,對(duì)受剪核心區(qū)混凝土提供很好的約束作用,抑制了斜裂縫的發(fā)展;同時(shí)相比于鋼筋混凝土橋墩模型,內(nèi)置鋼骨混凝土橋墩模型的斜裂縫數(shù)量較多、寬度較小,表明加入內(nèi)置的鋼骨改善了橋墩剪切破壞時(shí)的脆性特征,延性較好。
1.2.2撞擊力分析
圖3為 D-1~D-6破壞階段的撞擊力時(shí)程曲線,撞擊力時(shí)程曲線可分為峰值段和緩沖段,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的峰值段持續(xù)時(shí)間約20 ms。
圖3 撞擊力時(shí)程曲線
6根橋墩模型撞擊破壞峰值力如表2所示,從表2中可知,相比于D-1(普通鋼筋)的撞擊破壞峰值力,D-2(內(nèi)置角鋼)提高了24.05%,D-3(內(nèi)置槽鋼)提高了17.52%,D-4(內(nèi)置雙圓鋼管)提高了25.51%,D-5(內(nèi)置槽鋼)提高了19.78%,D-6(內(nèi)置雙圓鋼管)提高了20.61%。因此可見(jiàn),由于加入了內(nèi)置鋼骨,顯著提高了混凝土橋墩的抗撞擊強(qiáng)度,鋼骨混凝土橋墩比鋼筋混凝土橋墩有較好的抗撞擊性能。
表2 橋墩模型撞擊峰值力對(duì)比
撞擊過(guò)程是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程,撞擊力峰值出現(xiàn)在撞擊過(guò)程的某一時(shí)刻,橋墩模型的破壞荷載并非撞擊力時(shí)程曲線的峰值。目前工程設(shè)計(jì)中將撞擊力峰值等效成一個(gè)等效靜力來(lái)進(jìn)行抗撞設(shè)計(jì)。張南等[12]定義一個(gè)撞擊強(qiáng)度等效系數(shù)Kd,Kd取1.25,即如式(1)所示:
Fd=Fm,d/Kd
(1)
式中:Fm,d為撞擊力峰值;Fd為等效撞擊力。
等效撞擊力并非橋墩的撞擊抗剪承載力,根據(jù)圖1f中計(jì)算簡(jiǎn)圖得到橋墩模型任意截面的動(dòng)彎矩方程和動(dòng)剪力方程如式(2),(3),將等效撞擊力帶入式(2),(3)中計(jì)算得出等效剪力Q(x,t)和等效彎矩M(x,t)。
(2)
(3)
相關(guān)文獻(xiàn)表明,當(dāng)混凝土的應(yīng)變速率增加時(shí),其抗拉(壓)強(qiáng)度以及彈性模量均有所提高,但峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變沒(méi)有變化;鋼材的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變率的增加有所提高,但泊松比和彈性模量基本不變。本文材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的分析采用歐洲規(guī)范的率型經(jīng)驗(yàn)公式[2]。
2.1.1混凝土和鋼材動(dòng)態(tài)力學(xué)性能
混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度按式(4)計(jì)算。
(4)
混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量可表示為:
(5)
鋼材的動(dòng)態(tài)抗拉(壓)強(qiáng)度可表示為:
(6)
2.1.2平均應(yīng)變率計(jì)算
圖4為水平撞擊試驗(yàn)測(cè)得D-4鋼筋應(yīng)變片和混凝土應(yīng)變片在不同撞擊能量下的應(yīng)變時(shí)程曲線,其中鋼筋1號(hào)片位于撞擊點(diǎn)正背面的縱筋上;混凝土1號(hào)片位于撞擊點(diǎn)正背面。
圖4 混凝土與鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線
定義一個(gè)材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)Ki,通過(guò)撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到撞擊荷載下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù),材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度可表示為:
fi,d=Kifi
(7)
式中:fi,d為材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度;fi為材料的靜態(tài)強(qiáng)度。
材料在不同撞擊能量下應(yīng)變率是不同的,通過(guò)分析計(jì)算可知,在不同撞擊能量下,材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度系數(shù)誤差在5%左右,誤差范圍較小,故取材料平均應(yīng)變率對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度作為撞擊破壞下材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,各材料的動(dòng)力放大系數(shù)見(jiàn)表3。
表3 材料強(qiáng)度動(dòng)力放大系數(shù)
本文以修正壓力場(chǎng)理論為基礎(chǔ),建立鋼骨混凝土橋墩的撞擊抗剪強(qiáng)度計(jì)算模型,如圖5所示。圖6和表4列示出了修正壓力場(chǎng)的基本方程,表中材料強(qiáng)度均為靜態(tài)強(qiáng)度,運(yùn)用式(7)替換成材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。表中的應(yīng)變是各材料的平均應(yīng)變,在撞擊荷載作用下,撞擊力峰值在某一時(shí)刻超過(guò)破壞荷載,使得材料的瞬時(shí)應(yīng)變超過(guò)破壞荷載所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,并且這樣的變形是不可恢復(fù)的塑形變形,因此橋墩在發(fā)生撞擊破壞時(shí)的變形比靜力破壞時(shí)要大,因此本文計(jì)算模型中所考慮的平均應(yīng)變是等效撞擊力所對(duì)應(yīng)的各材料應(yīng)變的平均值。
圖5 橋墩計(jì)算模型
圖6 修正壓力場(chǎng)理論計(jì)算模型
注[8]:fsx,fsz為鋼筋縱向和橫向的應(yīng)力;fcx,fcz為混凝土縱向和橫向的平均應(yīng)力;da為骨料粒徑;f1為垂直于裂縫方向的平均拉應(yīng)力;f2為沿裂縫方向的平均壓應(yīng)力;θ為斜壓應(yīng)力角;vas為單元剪應(yīng)力;εx,εz,γ分別單元縱向平均應(yīng)變、橫向平均應(yīng)變和平均剪應(yīng)變;ε1為主拉應(yīng)變;ε2為主壓應(yīng)變;vci為沿裂縫處的剪應(yīng)力;w為平均裂縫寬度;sθ為平均裂縫間距
2.2.1變形協(xié)調(diào)條件
假定橋墩中混凝土和鋼材之間符合變形協(xié)調(diào)條件,即:
εx=εcx=εsx
(8)
εz=εcz=εsz
(9)
γ=γc=γs
(10)
式中:εcx,εcz,γc分為混凝土縱向平均應(yīng)變、橫向平均應(yīng)變和剪應(yīng)變;εsx,εsz,γs分為鋼材的縱向平均應(yīng)變、橫向平均應(yīng)變和剪應(yīng)變。
結(jié)合表4中式(e),(f),(g)得:
ε1=εx(1+cot2θ)-ε2cot2θ
(11)
2.2.2平衡條件
橋墩受到水平撞擊力作用時(shí),縱筋和縱向鋼骨承擔(dān)縱向的拉力,橫向鋼骨主要承擔(dān)剪力,則根據(jù)平衡條件有:
fx=fcx+ρsxfsx
(12)
fz=fcz+ρszfsz
(13)
v=vc+vas+ρswvsw
(14)
式中:fx,fz,v分別為單元橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力;vc為受壓區(qū)混凝土剪應(yīng)力;vsw為橫向鋼骨剪應(yīng)力;ρsx,ρsz,ρsw分別為縱向、橫向配鋼率和橫向鋼骨等效配鋼率。
2.2.3材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
鋼筋和混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用表4中式(j),(k),(m),(n),橫向鋼骨的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:
vsw=Gsw,dγs≤fsw,d
(15)
式中:Gsw,d為鋼骨的動(dòng)態(tài)剪切模量;fsw,d為鋼骨動(dòng)態(tài)剪切屈服強(qiáng)度。
橋墩模型受到撞擊作用時(shí),剪跨區(qū)產(chǎn)生了主斜裂縫,同時(shí)由于彎矩的作用產(chǎn)生水平裂縫,因此要考慮受壓區(qū)混凝土對(duì)撞擊抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。本文的分析同時(shí)考慮受壓區(qū)混凝土對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)、混凝土骨料咬合力以及箍筋和鋼骨所承擔(dān)的剪力。
受壓區(qū)撞擊抗剪承載力計(jì)算模型如圖7所示,在鋼骨混凝土橋墩中,縱向鋼骨和縱筋受拉,根據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)條件,可認(rèn)為縱向鋼骨應(yīng)變與縱筋應(yīng)變相等,即εwx=εsx。由平衡條件,忽略骨料咬合力的縱向分力,有:
C=εsx(Esv,dAsv+Esw,dAw)
(16)
式中:Esv,d為縱筋的動(dòng)態(tài)彈性模量;Asv為受拉縱筋的截面面積;Esw,d為鋼骨的動(dòng)態(tài)彈性模量;Aw為縱向鋼骨的截面面積;εsx為縱筋應(yīng)變。
根據(jù)參考文獻(xiàn),受壓區(qū)合力可表示為[15]:
(17)
得到中和軸高度xn為:
(18)
圖7 受壓區(qū)計(jì)算模型
鋼骨混凝土橋墩受壓區(qū)混凝土受到壓應(yīng)力fc(ε)和剪應(yīng)力vc的作用,其破壞符合混凝土雙軸受力準(zhǔn)則[16],表達(dá)式為:
(19)
沿中和軸高度積分得到受壓區(qū)混凝土提供的撞擊抗剪承載力為:
(20)
由于橋墩受到撞擊力作用,z方向產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力很小,故fz=0,聯(lián)立表4中式(a)和式(13)可得:
vas=f1cotθ+ρszfszcotθ
(21)
將式(21)代入式(14)中得到:
v=vc+f1cotθ+ρszfszcotθ+ρswvsw
(22)
式(22)中第二項(xiàng)為混凝土骨料咬合力,由圖8c可知混凝土骨料咬合力包含沿裂縫處的剪應(yīng)力以及縱筋和縱向鋼骨對(duì)混凝土的銷栓作用,相關(guān)文獻(xiàn)表明,縱筋和縱向鋼骨對(duì)混凝土的銷栓作用比較小,并且很難確定,因此在文中忽略此影響。鋼骨混凝土橋墩剪切破壞時(shí),當(dāng)箍筋配置適量,混凝土先開(kāi)裂隨后箍筋達(dá)到屈服,外圍混凝土出現(xiàn)剝落,由于鋼骨架的作用,核心混凝土主壓應(yīng)變未達(dá)到峰值,裂縫處的剪力vci未達(dá)到式表4中式(d)中的最大值,因此可得鋼骨混凝土橋墩撞擊抗剪承載力為:
(23)
式中:Ayv為箍筋等效截面面積,其中包括斜撐在橫向的等效面積;s為箍筋間距;Asw為等效橫向鋼骨截面面積;fyv,d為箍筋動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。
圖8 平均應(yīng)力與裂縫處局部應(yīng)力
由圖8b中橫向平衡可知,橋墩截面中斜壓應(yīng)力使縱筋和縱向鋼骨受壓,而斜拉應(yīng)力使縱向鋼筋和縱向鋼骨受拉,橫向不平衡力由箍筋、斜撐以及橫向鋼骨承擔(dān),則有:
(24)
在修正壓力場(chǎng)理論中,單元縱向應(yīng)變?chǔ)舩和斜壓應(yīng)力角θ是十分重要的兩個(gè)參數(shù),計(jì)算過(guò)程需要迭代,十分復(fù)雜,因此collins提出簡(jiǎn)化的待定參數(shù)εx和θ的表達(dá)式如下[6]:
(25)
(26)
式中:sxe為裂縫控制參數(shù),sxe=35sx/(ag+16),其中sx為相鄰縱筋沿截面高度方向的距離;Md,Vd分別為等效剪力和等效彎矩;0.5cotθ可取為1,誤差很小;P為軸向力,拉為正,壓為負(fù)。
由式(26),(18),(20)計(jì)算得到εsx,xn,Vc,d;再將上述結(jié)果與γs代入式(23)得到橋墩撞擊抗剪承載力Vd,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5,與試驗(yàn)結(jié)果較符合。
表5 撞擊抗剪承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比
注:Vd,e為試驗(yàn)所得撞擊抗剪承載力;Vd,p為計(jì)算所得撞擊抗剪承載力;η=(Vd,e-Vd,p)/Vd,e
為了說(shuō)明本文建立的計(jì)算公式是合理的,分別按鋼骨組合結(jié)構(gòu)規(guī)范、疊加原理、型鋼組合結(jié)構(gòu)規(guī)范和本文計(jì)算方法來(lái)計(jì)算橋墩撞擊抗剪承載力,各材料的強(qiáng)度均采用材性試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并考慮表3中的強(qiáng)度動(dòng)力放大系數(shù),表6列出計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差值。從對(duì)比結(jié)果看出,各種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的平均誤差值分別為23.32%,15.64%,19.37%,13.10%。計(jì)算值均比試驗(yàn)結(jié)果小,且本文計(jì)算方法計(jì)算所得結(jié)果平均誤差值最小。
鋼骨規(guī)程和型鋼規(guī)程中的鋼骨混凝土柱抗剪承載力計(jì)算公式是在考慮混凝土、箍筋和鋼骨對(duì)抗剪承載力貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)公式,這些經(jīng)驗(yàn)公式并非要精確預(yù)測(cè)構(gòu)件的抗剪承載力,只是為了防止發(fā)生剪切破壞;文獻(xiàn)[11]中的抗剪計(jì)算公式是基于鋼骨組合結(jié)構(gòu)規(guī)程,運(yùn)用疊加原理考慮斜筋的貢獻(xiàn)。但上述幾種計(jì)算方法未考慮縱筋率的影響,事實(shí)上,適當(dāng)增加構(gòu)件的縱筋率,使受壓區(qū)高度和銷栓作用增加,阻止裂縫增長(zhǎng)增加混凝土骨料咬合力。本文的計(jì)算模型未直接考慮縱筋的銷栓作用,但縱筋率增加體現(xiàn)在受壓區(qū)高度的變化以及混凝土縱向應(yīng)變?chǔ)舩的減小,使得抗剪強(qiáng)度在適當(dāng)范圍內(nèi)增加。
εx和θ在本文計(jì)算模型中是影響鋼骨混凝土橋墩撞擊抗剪強(qiáng)度十分重要的因素。鋼骨規(guī)程中軸壓力使得抗剪承載力增加0.07N(N為軸壓力),而本文的計(jì)算模型中,當(dāng)軸壓力增大時(shí),結(jié)合式(25),(26),εx會(huì)減小,θ會(huì)減小,代入式(23)可知橋墩的撞擊抗剪承載力提高;鋼骨規(guī)程中抗剪承載力是混凝土、箍筋和鋼骨承擔(dān)剪力的線性組合,剪跨比影響線性組合系數(shù),本文模型中,剪跨比影響混凝土斜壓應(yīng)力角θ,當(dāng)剪跨比較小時(shí),裂縫越接近豎直,即θ變??;當(dāng)剪跨比較大,裂縫接近水平,θ變大,撞擊抗剪承載力Vd發(fā)生變化。
表6 不同模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比
(1)通過(guò)本文試驗(yàn)結(jié)果得出,撞擊荷載作用下橋墩發(fā)生剪切破壞,加入內(nèi)置鋼骨可以提高橋墩的側(cè)向剛度,抑制橋墩斜裂縫的發(fā)展,改善了混凝土橋墩剪切破壞的脆性特征,提高了混凝土橋墩的抗撞擊強(qiáng)度,具有較好的抗撞擊性能。
(2)鋼骨混凝土橋墩撞擊抗剪承載力主要由受壓區(qū)混凝土承擔(dān)的剪力、混凝土骨料咬合力、箍筋承擔(dān)的剪力以及橫向鋼骨承擔(dān)的剪力四部分組成。本文基于修正壓力場(chǎng)理論,考慮受壓區(qū)混凝土對(duì)撞擊抗剪承載力的貢獻(xiàn)以及應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的提高,建立撞擊抗剪強(qiáng)度計(jì)算模型,運(yùn)用強(qiáng)度動(dòng)力放大系數(shù)Ki來(lái)計(jì)算材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度;計(jì)算表明,受壓區(qū)混凝土可承受20%~40%的剪力,考慮其對(duì)撞擊抗剪強(qiáng)度的影響是合理的。
(3)本文模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值誤差約13.10%,相比較于其他計(jì)算方法,與試驗(yàn)值最接近。本文模型用混凝土縱向應(yīng)變?chǔ)舩和混凝土壓應(yīng)力角θ來(lái)考慮軸力,彎矩和剪力對(duì)橋墩的耦合作用;同樣以上兩種參數(shù)也體現(xiàn)了軸壓力以及剪跨比對(duì)撞擊抗剪強(qiáng)度的影響。此外,本文模型考慮了縱筋對(duì)撞擊抗剪強(qiáng)度的影響,縱筋率的適當(dāng)增加會(huì)增加混凝土的骨料咬合力,可以對(duì)鋼骨混凝土橋墩抗撞設(shè)計(jì)與分析提供參考。