本文摘要(由AI生成):
本文主要介绍了桥梁及防护结构的抗冲击性能问题,以及超高性能混凝土(UHPC)在桥梁抗撞防护方面的应用。文章指出,桥梁及防护结构的防撞问题比想象中更为突出,传统普通混凝土的抗冲击性能不足,而UHPC具有优异的力学性能、抗冲击及耗能能力。湖南大学UHPC高性能桥梁结构研究团队针对桥梁抗撞防护问题,开展了普通混凝土和UHPC构件的抗冲击试验及数值分析工作,探讨了基于UHPC的桥梁抗撞防护结构,为设计及运用高性能耐撞结构提供基础。
近日重庆万州长江二桥发生了令人扼腕痛惜的公交车坠江事故,引起了社会的广泛关注和激烈讨论。在工程界,桥梁及防护结构的抗冲击性能也再次引起广泛的关注和思考。
事实上,桥梁及防护结构的防撞问题比我们想象的更为突出。根据美国(1951-2000年)桥梁失效统计数据,17%的桥梁因碰撞而发生破坏,位列所有致毁因素中的第二位(如图1所示)。在国内,仅2017年1月至8月某省内就发生了三次桥梁因碰撞而严重破坏的恶性事故。
图1 1951年至2000年美国桥梁失效事故原因及比例
(图为笔者根据Harik、Wardhana等的数据汇总得到)
这些恶性事故发生的根本原因之一: 传统普通混凝土的抗冲击性能不足。而超高性能混凝土具有优异的力学性能、抗冲击及耗能能力。如图2所示,相比普通混凝土,UHPC不仅具有超高的抗拉强度,而且具有优异的拉伸应变硬化能力,从而使其抗冲击性能、耗能能力等得以显著提升。
鉴于此,湖南大学UHPC高性能桥梁结构研究团队针对桥梁抗撞防护问题,较为广泛地开展了普通混凝土和UHPC构件的抗冲击试验及数值分析工作,探讨了基于UHPC的桥梁抗撞防护结构,为设计及运用高性能耐撞结构提供基础。
图2 不同混凝土的受拉性能
以易被撞构件桥梁墩柱为对象,采用图3所示试验装置,开展了受压钢筋混凝土墩柱及配筋UHPC墩柱落锤冲击对比试验。试验中测量了冲击力、墩柱位移,并采用高速摄像机记录了冲击过程中墩柱裂缝发生、发展直至破坏的全过程。试验结果表明:受压UHPC墩柱抗冲击能力显著优于普通混凝土墩柱。如视频1所示,在相同冲击能量(13.36kJ)及配筋率情况下,普通混凝土墩柱发生了完全破坏,而UHPC墩柱的峰值位移仅为35mm。
图3 受压墩柱落锤冲击试验装置
视频1:钢筋混凝土墩柱与UHPC墩柱冲击对比试验(略)
“好钢用在刀刃上”,考虑性能与经济的平衡,研究了UHPC部分增强结构,通过在关键区域用UHPC替代普通混凝土,从而高效经济地提高结构抗冲击性能。如视频2所示,体积上仅20%的区域用UHPC替代增强后,在相同冲击能量(8.28kJ)作用下,UHPC增强构件位移峰值相比普通混凝土墩柱降低了50%,残余位移降低了84%,损伤程度明显降低。
视频2:钢筋混凝土柱与UHPC部分增强柱冲击对比试验(略)
采用试验验证后的数值模型开展了钢筋混凝土墩柱及UHPC 套管增强墩柱抗车撞性能(见图4)对比研究,结果如图5和视频3所示。由此可知,两类墩柱在相同车撞条件下得到的损伤效果差异巨大:
①在撞击速度为20km/h时,混凝土墩柱底部已经开始出现损伤,而UHPFRC套筒增强墩柱在撞击速度小于60km/h时并没有表现出明显损伤;
②当速度达到70km/h时,混凝土墩柱底部已经发生了严重的塑形损伤,被撞区域及下部产生了明显的偏移,无法承载,而UHPFRC套筒增强墩柱则依旧损伤很小,该撞击能量小于该墩柱所表现的抗冲击性能,最后UHPFRC套筒增强墩柱在撞击速度为100km/h时,墩柱底部产生塑性铰。
由此可知,相比传统钢筋混凝土墩柱,UHPFRC套筒增强墩柱具有优良的抗冲击性能。
图4 钢筋混凝土墩柱及UHPC套筒增强墩柱
图5 钢筋混凝土墩柱与UHPC套筒增强桥墩的损伤对比
视频3:传统钢筋混凝土墩柱与UHPC增强墩柱抗车撞性能对比(略)
频发的桥梁碰撞事故表明,如何做好桥梁抗撞防护是我们当前需解决的关键议题之一。AASHTO规范指出:相比桥梁抗震及抗风,桥梁抗撞问题的研究及认识仍处于非常初级的阶段,许多方面有待深入研究。
UHPC作为新兴最有活力的土木材料之一,上述研究表明其具有优异的抗撞防护性能,有望全面提升桥梁抗冲击防护技术,在今后的桥梁抗撞防护中值得期待和拥有。
感谢所有为此项研究付出辛勤工作的同事、博士和硕士研究生(刘斌,郭伟,申东杰,徐鑫,张志勇,张泽文,杨涛,孙洋等)
参考文献
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[3]. Guo, W., Fan, W., Shao, X. D., Shen, D. J., and Chen, B. S. (2018). "Constitutive model of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete for low-velocity impact simulations." Composite Structures, 185, 307-326.
[4].Fan, W., Guo, W., Sun, Y., Chen, B., and Shao, X.D. (2018). "Experimental and numerical investigations of a novel steel-UHPFRC composite fender for bridge protection in vessel collisions." Ocean Eng., 165, 1-21.
作者:樊伟,湖南大学副教授,风工程与桥梁工程湖南省重点实验室副主任。作者致谢所有为此项研究付出辛勤工作的同事、博士和硕士研究生(刘斌,郭伟,申东杰,徐鑫,张志勇,张泽文,杨涛,孙洋等。
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