橋墩受車撞損傷評估研究綜述

李兆祥，韓艷，覃宇翔 （北方工業大學土木工程學院，北京 100144）

0 引言

橋梁作為重要的交通樞紐起著不可替代的作用，而伴隨著高速公路數量、車輛數量及其載重水平的不斷增加，車輛撞擊橋墩的現象時有發生[1-2]，不僅容易造成橋梁損壞、人員傷亡，而且極易導致交通運輸堵塞，嚴重影響人們的正常生活，嚴重威脅橋梁和交通安全，造成巨大的經濟損失。2002年6月24日，美國南部得克薩斯州一輛載有47 名乘客的公共汽車行駛在高速公路上時撞上一座橋墩，橋墩撞擊處部分混凝土脫落[3]；2010年9月26日，德國首都柏林南部的10號高速公路發生一起惡性交通事故，一輛波蘭旅游大巴遭到一輛轎車側面撞擊后失控，撞上橋墩，致使橋梁受損但沒有垮塌[4]；2020 年10 月，海張高速石家莊方向1405km+230m 處，一輛拉運大型罐體的貨車與跨線橋橋墩發生碰撞，致使橋墩中部斷裂，鋼筋裸露，隨后橋梁垮塌[5]。從上述事故可知，當橋墩遭受車輛撞擊后，橋墩的損傷程度不盡相同，部分橋梁仍然具備通行能力，但部分橋梁由于損傷程度過于嚴重已經徹底喪失通行能力，必須拆除重建或者采取更換橋墩等措施。因此，一套切實可行的評估受車輛撞擊后橋墩損傷程度的標準對及時評估橋梁的受損程度及是否適合繼續承載顯得尤為重要，而目前尚未有公認的評估標準。鑒于此，本文在廣泛查閱相關文獻的基礎上，總結了國內外橋墩受車撞損傷評估方法的研究現狀，提出了需要進一步研究的問題，以促進對車撞橋墩損傷評估標準的早日建立。

1 國內外研究現狀

目前對于橋梁損傷評估的研究主要集中在地震損傷上[6-9]，對于車撞橋梁損傷評估的研究相對較少。從已有的研究成果來看，可大致將橋墩受車撞損傷評估分為定性評估和定量評估兩種方法。

1.1 定性評估方法

鄒江娜[10]采用有限元模擬方法對橋墩車撞損傷進行局部損傷評估和整體損傷評估，結果表明，橋墩底部截面的邊界牢固程度對橋墩的這兩種損傷影響最大，即邊界條件的約束越弱，車輛沖擊引起的橋墩損傷就越大，嚴重可導致橋墩從穩定狀態變為滑動狀態，此時必須對橋墩進行墩底加固，必要時需更換橋墩。對于混凝土橋墩而言，部分學者以車輛撞擊后橋墩的裂縫開展狀況為主要指標對橋墩損傷情況進行評估。周錫武等[11]利用落錘沖擊試驗系統，對兩組不同配筋率的鋼筋混凝土圓形橋墩進行不同累積作用的沖擊試驗，研究結果表明，在累計沖擊能量與當次沖擊能量相等時，橋墩正面碰撞的底部區域出現了水平彎曲裂縫，橋墩的損傷情況不僅與當次沖擊的能量有關，還與累積沖擊的方式有一定關系。

為了能夠更直觀地體現出橋墩損傷后的性能狀態，部分學者提出了更加具體的評估標準。Lin Chen 等[12]利用有限元分析軟件建立了車輛撞擊橋墩概率模型，提出了一種基于性能的車輛碰撞鋼筋混凝土橋墩的損傷評估方法，將橋墩的損傷狀態劃分為輕微損壞、嚴重損壞（橋墩的剪切破壞）和完全損壞（橋墩的倒塌）三種狀態，同時提出了一種極限狀態函數來評估在車輛碰撞下具有多根立柱的橋梁框架的倒塌，指出可以通過考慮不同的碰撞場景和橋梁類型來評估相關的結構性能。

由于碰撞位置的局部位移需求高，鋼筋混凝土橋柱在遭受車輛碰撞的大多數失效案例中都會發生鋼筋屈曲，因此，Omar I[13]將鋼筋屈曲作為墩柱受車輛碰撞后的主要極限狀態，并定義了三種不同的橋墩受車撞后的性能水平（見表1），同時提出了一種基于動量的等效靜力簡化方程，即式（1），通過驗證，該方程的準確性超過90%，此方程可以根據預期的卡車荷載和速度來設計不同的橋墩以滿足不同沖擊力的需求。

表1 基于鋼筋屈曲狀態的橋墩受車撞損傷評估指標

式中：MBESF為撞擊力等效靜力；m為車輛質量，單位為ton；vr為車輛速度，單位為m/s；Pm為車輛動量，單位為ton·m/s。

Sharma H 等[14]對車輛碰撞造成的各種不同損壞狀態進行分類并確定相應的性能水平，建議損傷級別按強度增加分為四個等級，并基于受車輛碰撞結構的四種可能損壞等級定義了三個性能水平。表2 列出了損壞等級、相關損壞描述、相應的性能等級以及性能水平的描述。該方法通過相應的性能水平確定動剪承載力和動剪需求，并據此進行基于性能的橋墩抗撞設計。但是動剪承載力和動剪需求均是所施加載荷的函數，并與結構構造和性質密切相關，需要建立復雜精細的有限元模型進行詳盡的不同碰撞等級的模擬試算才能完成。

表2 受車輛碰撞鋼筋混凝土柱的性能水平

1.2 定量評估方法

針對橋墩遭受車輛撞擊后，橋梁的通行能力是否受到影響的問題，部分學者提出了橋墩損傷度、橋墩損傷指數等量化指標以便橋墩遭受車輛撞擊后的性能水平等級劃分。

1.2.1 橋墩損傷度

針對落石沖擊鋼筋混凝土橋墩的損傷研究，顧鄉[15]利用LS-DYNA 軟件建立落石沖擊橋墩模型，借鑒丁陽等[16]評估鋼筋混凝土橋墩地震損傷程度的方法，并結合爆炸沖擊作用下橋墩的損傷程度，定義橋墩受落石撞擊損傷度公式如式（2）所示。同時，借鑒墩柱地震損傷狀態對應的損傷指標[17-20]，提出了落石沖擊混凝土橋墩損傷指標，見表3。落石沖擊鋼筋混凝土橋墩的過程與車輛撞擊橋墩的過程具有一定的相似性，因此，此損傷指標的提出對于車輛撞擊橋墩損傷評估的研究有一定的借鑒意義。

表3 落石沖擊混凝土橋墩損傷指標

式中：D表示橋墩損傷度；Nt表示橋墩受落石沖擊作用后的剩余承載力；N0表示橋墩受落石沖擊前的初始承載力。

劉山[21]采用LS-DYNA 軟件模擬了不同質量、速度的車輛對雙柱式混凝土圓形橋墩進行撞擊的過程，提出了橋墩損傷主要分為側向抗彎剛度的損失以及軸向承載能力的損失。由于橋墩主要承受豎向荷載，當車輛撞擊橋墩時，混凝土區域會產生不同程度的裂縫，混凝土受壓面積會減小。假設橋墩作為懸臂柱，在撞擊后做類似單擺的自由振動，墩柱在振動過程中受彎，通過計算可知，截面開裂時，按中和軸位于圓心進行計算，不會對結果造成很大的影響，橋墩開裂最嚴重截面的截面形狀近似橢圓形。此時，橋墩損傷度的本質就變成了混凝土開裂截面的開裂面積與原設計混凝土截面面積的比值，因此，橋墩損傷度可定義為：

式中：D1表示橋墩損傷度；Sy表示墩柱混凝土最大開裂截面剩余的截面面積；Sc表示墩柱初始截面面積。

劉山[21]還根據橋梁損傷度D1，提出了橋墩受車撞損傷的評估指標，見表4。

表4 橋墩車撞損傷評估指標

Zhou Xiwu 等[22-23]結合小車沖擊鋼筋混凝土橋墩模型試驗，采用模態頻率識別評估橋墩的損傷情況，定義了如公式（4）所示的基于模態頻率的橋墩損傷度D2，并用傳統的超聲波損傷識別法[24-25]進行驗證。結果表明，模態頻率損傷因子與超聲波聲速損傷因子均與沖擊速度或相同沖擊速度下的沖擊次數呈一次函數關系，且兩者的曲線斜率相近，在兩種評估標準下，橋墩損傷的發展及延伸情況一致，從而驗證了基于一階模態頻率的橋墩損傷因子是可行的，并結合橋墩鋼筋動應變等因素，提出了更為具體的受沖擊作用下的鋼筋混凝土橋墩損傷評估指標，見表5。

式中：D2表示橋墩損傷度；ω0表示墩柱撞擊前的一階頻率；ωb表示墩柱撞擊后的一階頻率。

1.2.2 橋墩損傷指數

R.W.Li等[26-27]采用LS-DYNA軟件在已有的車橋碰撞有限元模型的基礎上，對已有的車橋碰撞損傷評估方法進行了改進和擴展，提出了如式（5）所示的損傷指數λd，并提出了一種基于損傷指數λd的新的損傷評估標準，見表6。

式中：λd表示橋墩損傷指數；VPdsd=0.62Vpveh+ 200，VPveh表示車輛峰值沖擊力；Vdsc表示橋墩動態抗剪承載力。

Zhou Deyuan 等[28]利用LS-DYNA建立了車輛與鋼筋混凝土橋墩碰撞的精細化數值模型，通過對比多種沖擊力的等效靜力，得出局部等效靜力（LESF）更適合用作汽車沖擊力的結論。LESF 是由對車輛峰值沖擊力50m/s內的瞬時沖擊力的平均積分得到，考慮了車輛碰撞持續時間和車輛峰值沖擊力的影響，并且車輛沖擊力的高應變率效應也可以通過LESF得到反映，因此將局部等效靜力與橋墩抗剪承載力的比值定義為如式（6）所示損傷指數λ，并據此將橋墩受車撞損傷分為四個等級，見表7。

式中：λ表示橋墩損傷指數；LESF為局部等效靜力；F為橋墩動態抗剪承載力。

2 車撞橋墩損傷評估研究方向

目前關于橋墩受車撞損傷評估的研究還停留在理論研究階段，尚未達到實用的程度。隨著快速施工橋梁技術（ABC）[29]的發展，裝配式橋墩的應用逐漸開始增多，而關于裝配式橋墩受車撞后損傷評估的研究鮮有相關文獻，因此，需對裝配式橋墩受車撞損傷評估進行深入、系統的研究。同時，隨著近年來超特大城市[30]的飛速發展，城市內車輛數量及載重水平不斷增加，如何在橋墩受車撞損傷的定量評估研究中體現車速、車重以及車輛類型等公認的對橋墩損傷有重要影響的因素是需要進一步探索的問題。

3 結語

本文總結了國內外關于橋墩受車撞損傷評估的研究現狀，將已有的橋墩受車撞損傷評估方法分為定性評估與定量評估兩種，指出裝配式橋墩受車撞損傷評估及如何在定量評估中考慮車速、車重、車輛類型等公認的影響因素是進一步的研究方向。