等截面鋼筋混凝土橋墩撞擊損傷試驗(yàn)研究

趙 凱 黃 斐 周洋洋 張潤(rùn)成 高御審

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系， 廣東 佛山 528000）

近年來(lái)，隨著航運(yùn)交通量的不斷增大船舶撞擊橋墩事故頻發(fā)，這種事故會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡[1]。沖擊荷載是一種非常復(fù)雜的動(dòng)荷載，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(yàn)、超聲波檢測(cè)試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)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(chǔ)，研究了沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的損傷評(píng)估及防護(hù)技術(shù)。由于不銹鋼在強(qiáng)度、延性、耐腐蝕性等方面表現(xiàn)出的優(yōu)越性[5]，而對(duì)于等截面的不銹鋼和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沖擊損傷性能的對(duì)比研究成果還較少，所以有待進(jìn)一步研究。本文通過(guò)對(duì)比每次沖擊試驗(yàn)前后鋼筋混凝土橋墩試件主要損傷區(qū)域主裂縫及超聲波聲速,來(lái)分析鋼筋混凝土橋墩的損傷性能。

1 試驗(yàn)方案

按照相似性原理，以某橋雙柱式圓形橋墩作為試驗(yàn)原型，采用1:5的縮尺比例制作橋墩模型，設(shè)計(jì)了 2根鋼筋混凝土橋墩試件。試件底座預(yù)留四個(gè)孔用來(lái)安裝高強(qiáng)螺栓固定橋墩試件。實(shí)驗(yàn)柱采用對(duì)稱(chēng)配筋，鋼筋采用焊接施工方法，試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1，圖1為B1-16試件的示意圖。小車(chē)重為1.2t，試驗(yàn)落錘質(zhì)量設(shè)計(jì)為196kg，落錘下落牽引小車(chē)撞向試件。沖擊系統(tǒng)示意圖如圖 2。在試件底部和中部區(qū)域，沿試件高度方向均勻取20個(gè)測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置畫(huà)好邊長(zhǎng)為5cm的網(wǎng)格來(lái)提高測(cè)量精度。采用 ZBL-U520非金屬超聲混凝土檢測(cè)儀對(duì)試件主要的破壞區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 沖擊示意圖

圖1 試件示意圖（尺寸單位：mm）

2 試驗(yàn)分析

2.1 裂縫分析

每個(gè)試件的初始裂縫形成都在撞擊面底部區(qū)域，隨著落錘高度的增加，裂縫出現(xiàn)從撞擊面底部向中部方向發(fā)展，撞擊點(diǎn)背面區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，正面中下部原有裂縫繼續(xù)開(kāi)展的同時(shí)繼續(xù)向中部發(fā)展，同時(shí)撞擊背面裂縫繼續(xù)向試件中上部發(fā)展。當(dāng)沖擊速度達(dá)到一定程度時(shí)，最大裂縫視為主裂縫，裂縫的開(kāi)展區(qū)域與試件的主要受力區(qū)域非常吻合。

分析可知主裂縫寬度存在一定的規(guī)律性，可作為試件損傷程度的評(píng)價(jià)依據(jù)。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(kāi)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(yàn)使用HC-U8多功能混凝土超聲波檢測(cè)儀對(duì)試件的主要沖擊損傷部位進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)以聲速作為指標(biāo)來(lái)分析試件撞擊損傷情況，各沖擊試件超聲波聲速檢測(cè)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(xué)參數(shù)變化值。由表可知，試件沖擊超聲波變化總體減小趨勢(shì)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(jīng)受多次沖擊后，對(duì)比試件B1-16與B2-16發(fā)現(xiàn)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(shuō)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(jié)論

本文采用國(guó)內(nèi)最為先進(jìn)的多功能超高重型落錘試驗(yàn)機(jī)，對(duì)兩根鋼筋混凝土橋墩試件進(jìn)行了多次累積橫向沖擊試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試件主要破壞區(qū)域主裂縫及超聲波聲速的分析，主要結(jié)論如下：

1.試件沖擊主裂縫出現(xiàn)在試件的底部區(qū)域，并逐漸向試件中部發(fā)展。縱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(guī)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(shuō)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(jí)重大科研項(xiàng)目（編號(hào)：2014KZDXM064）及廣東省教育廳學(xué)科專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（編號(hào)：KJCX0188）對(duì)本研究的資助。

[1]陳國(guó)虞.長(zhǎng)江中游橋墩防撞[J].航海科技動(dòng)態(tài),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(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2014,(S1):58-64.

[3]黃濤. 沖擊致?lián)p混凝土力學(xué)性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.