等截面鋼筋混凝土橋墩撞擊損傷試驗研究

趙 凱 黃 斐 周洋洋 張潤成 高御審

（佛山科學技術學院 土木工程系， 廣東 佛山 528000）

近年來，隨著航運交通量的不斷增大船舶撞擊橋墩事故頻發，這種事故會造成巨大的經濟損失以及人員傷亡[1]。沖擊荷載是一種非常復雜的動荷載，會導致結構的破壞、失效。黃濤等[3]研究了混凝土棱柱體在落錘沖擊試驗、超聲波檢測試驗、壓力試驗后的混凝土損傷情況。田力等[4]以剛性球撞擊鋼筋混凝土柱為研究基礎，研究了沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的損傷評估及防護技術。由于不銹鋼在強度、延性、耐腐蝕性等方面表現出的優越性[5]，而對于等截面的不銹鋼和普通鋼筋混凝土結構沖擊損傷性能的對比研究成果還較少，所以有待進一步研究。本文通過對比每次沖擊試驗前后鋼筋混凝土橋墩試件主要損傷區域主裂縫及超聲波聲速,來分析鋼筋混凝土橋墩的損傷性能。

1 試驗方案

按照相似性原理，以某橋雙柱式圓形橋墩作為試驗原型，采用1:5的縮尺比例制作橋墩模型，設計了 2根鋼筋混凝土橋墩試件。試件底座預留四個孔用來安裝高強螺栓固定橋墩試件。實驗柱采用對稱配筋，鋼筋采用焊接施工方法，試件設計參數如表1，圖1為B1-16試件的示意圖。小車重為1.2t，試驗落錘質量設計為196kg，落錘下落牽引小車撞向試件。沖擊系統示意圖如圖 2。在試件底部和中部區域，沿試件高度方向均勻取20個測點，在每個測點位置畫好邊長為5cm的網格來提高測量精度。采用 ZBL-U520非金屬超聲混凝土檢測儀對試件主要的破壞區域進行檢測。

表1 試件設計參數

圖2 沖擊示意圖

圖1 試件示意圖（尺寸單位：mm）

2 試驗分析

2.1 裂縫分析

每個試件的初始裂縫形成都在撞擊面底部區域，隨著落錘高度的增加，裂縫出現從撞擊面底部向中部方向發展，撞擊點背面區域開始出現裂縫，正面中下部原有裂縫繼續開展的同時繼續向中部發展，同時撞擊背面裂縫繼續向試件中上部發展。當沖擊速度達到一定程度時，最大裂縫視為主裂縫，裂縫的開展區域與試件的主要受力區域非常吻合。

分析可知主裂縫寬度存在一定的規律性，可作為試件損傷程度的評價依據。每次撞擊下各試件主裂縫寬度，如表2所示。

表2 不同沖擊能量下裂縫開展情況

B1-16 0.12 0.18 0.20 0.24 B2-16 0.19 0.30 0.42 0.55

由表2可知，在各沖擊能量下，縱筋為不銹鋼的B1-16試件主裂縫寬度明顯低于縱筋為普通鋼筋的B2-16試件，證明不銹鋼鋼筋比普通鋼筋更能延緩撞擊裂縫的衍生及拓展。

2.2 超聲波聲速分析

為了分析沖擊前后試件的損傷情況，試驗使用HC-U8多功能混凝土超聲波檢測儀對試件的主要沖擊損傷部位進行檢測，試驗以聲速作為指標來分析試件撞擊損傷情況，各沖擊試件超聲波聲速檢測值如表3所示。

表3 各試件撞擊超聲波波速變化

表3為落錘提升至2m、4m、6m、8m，試件混凝土損傷后的聲學參數變化值。由表可知，試件沖擊超聲波變化總體減小趨勢一致，沖擊試件超聲波平均聲速隨撞擊能量增大而逐漸減小，試件經受多次沖擊后，對比試件B1-16與B2-16發現縱筋為不銹鋼的試件比縱筋為普通鋼筋的試件聲速變化率減小3.5%，說明不銹鋼鋼筋比普通鋼筋更能減弱試件混凝土沖擊損傷；

3 結論

本文采用國內最為先進的多功能超高重型落錘試驗機，對兩根鋼筋混凝土橋墩試件進行了多次累積橫向沖擊試驗，通過對試件主要破壞區域主裂縫及超聲波聲速的分析，主要結論如下：

1.試件沖擊主裂縫出現在試件的底部區域，并逐漸向試件中部發展?？v筋為不銹鋼的試件主裂縫寬度明顯低于縱筋為普通鋼筋的試件，證明不銹鋼鋼筋比普通鋼筋更能延緩撞擊裂縫的衍生及拓展。

2.隨著沖擊能量的增大，各沖擊試件超聲波聲速變化規律較為一致，沖擊試件超聲波平均聲速隨撞擊能量增大而逐漸減小，縱筋為不銹鋼的試件比縱筋為普通鋼筋的試件聲速減小總量低，聲速變化率減小3.5%，說明不銹鋼鋼筋比普通鋼筋更能減弱試件混凝土沖擊損傷；

4 感謝

感謝廣東省普通高校省級重大科研項目（編號：2014KZDXM064）及廣東省教育廳學科專項資金資助項目（編號：KJCX0188）對本研究的資助。

[1]陳國虞.長江中游橋墩防撞[J].航?？萍紕討B,1995,(3):14-18.

[2]田玉濱,黃濤,劉佳,金若羲,張春巍. 受沖擊作用混凝土損傷性能試驗研究[J].建筑結構學報,2014,(S1):58-64.

[3]黃濤. 沖擊致損混凝土力學性能研究[D].哈爾濱工業大學,2013.