墩顶撞击作用下高铁桥墩动力行为研究 孟栋梁1胡仁康1杨孟刚2何旭辉2 1.中南大学.
潮尚长沙410075摘要：以往关于桥增在侧向撞击下的力学行为研究主要关注车辆或驳船的撞击作用，即撞击位置 2.高建铁马建造执水国家工在桥墩中部或墩底.
然面，在实际工程中桥墩也可能在墩顶处遭受撞击，例如地震中发生于抗震 程研究中心，潮南长沙 挡块处的撞击.
文章以高铁桥墩为研究对象，通过试验和数值模拟的方法探究缩尺桥墩在墩顶撞 50001 击作用下的动力响应.
试验结果表明，一个典型的撞击过程包括3个阶段：碰撞阶段1、碰撞分 离阶段和碰撞阶段Ⅱ.
在碰撞阶段1，撞击荷载主要由构件中的惯性力来平衡；在碰撞阶段Ⅱ， 撞击荷载由惯性力和恢复力共同平衡.
因此，在发生同等墩顶位移的条件下，构件所承受的撞击 荷载会远大于静力荷载，且该现象对于碰撞阶段I尤为显著.
数值模拟结果表明，由于惯性效应 导致的振动，构件在撞击作用下与在静力作用下的内力发展显著不同.
在拟静力作用下，沿桥墩 的弯矩呈三角形分布；面在撞击作用下，桥墩截面弯矩发生显著振荡.
关键词：震致撞击；高铁桥墩；墩顶撞击试验；数值模拟；动力响应；内力发展 中图分类号：U238文献标识码：A文章编号：1000-131X（2024）12-0054-14 DOI : 10. 15951/j. tmgexb. 23070569 Research on dynamic behavior of high-speedrailway bridge piers under impact at pier top Meng Donging'Hs Renkang'* Yang Mengng He Xabuit2 1. Cetral Srh Uisisiy Abstract : Previous research on the dynamic behavior of bridge piers under lateral impaets Chengshe 410075 Ckise 2. Nntional Enginring Rronrch mainly focused on the impact of vehicles or vessels with impaet positions at the middle or Genter of Higbpd Raisey bottom of piers. However in actual engineering bridge piers may also be subjected to ConartioTochngy. impact at the pier top such as seismic-induced impacts occurring at shear keys. This study Changshe 410075 Ckise takes the high-speed railway bridge piers as the research object Experiments and numerical simulations were performed to investigate the dynamic response of the scaled piers under impacts at the pier top. The experimental results show that a typical impact process consists of thre phases i. e. the impact phase I the separation phase and the impaet phase II In the phase I the impaet load is mainly equilibrium by inertial force in the pier but in the phase I it is jointly equilibrium by inertial force and restoring force of the pier. Consequently in the case of causing the same pier-top dlisplacement the impact fore acting on the pier is much greater than the static force and this phenomenon is particularly significant in the impact phase I . The mumerical simulation further reveals that due to the 基金项目：国家自然科孕基金（51978667，52278232）.
中国博士后基金（2023M733970）和中国中铁股份有限公司科技 研完开发计划（2021-专项-04-2) 作者简合：孟栋梁，博士，助理研究员 通讯作者：杨金刚，博士，数授收稿日期：2023-07-13 中国路网.12.204
inertia efect the development of intermal forces in the pier under impact loads is substantially different from that under the static loads. The bending moment along the piers is distributed in a triangle shape when subjected to static loads. In contrast for the case of impact loads obvious oscillations are found in the bending moment along the bridge pier. Keywords; seismic-induced impact; high-speed railway bridge pier; impaet test al pier top; numerical simlati; dynamic respone; develpment of inteal foe E-mail: mgyang@ csu. edu. cn 较小时，轴压力对于构件的安全性是有益的；然而 引言 对于低配筋率柱受到较大的撞击荷载时，轴压力的 存在可能会导致构件完全倒塌.
震致碰撞已被认为是影响桥梁地震行为的关键 由于重力加速度的影响，采用落锤试验来研究 因素之一[.
桥梁碰撞可沿纵桥向（邻梁或梁台间） 桥墩在水平撞击荷载下的力学行为，可能会夸大构 或横桥向（抗震挡块处）发生.
前者所产生的冲击荷 件的响应及损伤[].
为此，Sha等和 Zhang 载在传递至桥墩时会被支座隔离，而后者所产生 等2设计了摆锤撞击系统，评估了钢筋混凝土缩尺 的撞击荷载会被直接传递至桥墩（见图1（a））.
桥墩在船舶撞击下的响应.
Demartino等[设计了一 然面，现有研究鲜有涉及桥墩在震致墩顶撞击作用 种带有水平滑轨的测试装置，研究RC桥墩在墩底处 下的力学行为.
在2022年青海门源地震中，硫磺沟 车辆撞击作用下的动力响应及破坏模式，得出 大桥由于挡块失效导致了严重的主梁侧翻（见图1 测试的RC构件均呈脆性剪切破坏，其特征是从墩底 （b)），但桥墩却未遭受明显的损伤，这说明设计挡 到撞击点出现了一条贯穿的斜裂缝.
王潇宇等”进 块强度偏低.
但是，为明确挡块的合理强度设计， 一步利用该装置评估了钢管混凝土柱的抗冲击能力， 需对墩顶撞击下桥墩的力学行为进行研究.
得出与空心钢管柱相比，钢管混凝土柱和部分填充 主梁 钢管混凝土柱具有更高的抗冲击承载力和变形能力.
上述关于桥墩的侧向撞击试验主要针对车辆和 船舶的撞击行为，即撞击发生于桥墩的中部或底部.
本文以圆端形高铁桥墩为研究对象，通过试验方法 探究缩尺桥墩在墩顶撞击作用下的动力响应.
为对 桥墩 比桥墩在撞击和静力荷载作用下的力学行为，研究 (a)挡块布置 (b）硫磺沟大桥震客 还对桥墩进行了拟静力测试.
在此基础之上，基于 ANSYS/LS-DYNA建立考虑材料应变率效应的有限元 图1高铁桥梁中的抗震挡块设置及震害 模型，分析在墩顶撞击作用下桥墩的内力（包括剪力 Fig. 1 The design and damage of shear keys in high-speed railway bridges 和弯矩）发展机制.
以往关于桥墩在侧向撞击下的力学行为研究主 1高铁桥墩墩顶水平撞击试验 要关注车辆或船舶的撞击作用.
Saatci等[研究 得出，与静力作用相比，撞击荷载会显著地改变构 1.1试件设计 件的内力分布，从而导致不同的破坏机制.
Fujikake 试验所考虑的原型桥墩高度包括10m、20m和 等及Adhikary等研究了不同速率加载下钢筋混 30m，轴压比约为0.1，纵筋配筋率约为0.5%，详细 凝土构件的响应，得出构件的极限承载力、刚度以 设计资料参考通用图纸.
模型的尺寸相似比S选取为 及能量的吸收均随着加载速度增加而增大.
王路明 1/20：模型桥墩材料与原型桥墩一致，故弹性模量相 等”对钢管混凝土构件的撞击响应研究表明，构件 似常数S=1；时间相似常数S =1.
根据量纲分析， 在开裂前存在明显的局部响应阶段，即在撞击位置 即可确定其他物理量的相似比，例如撞击动量相似 处会出现明显凹陷.
Liu等和Fan等[指出，轴比S =SS²S=1/400.
压力对RC柱的撞击响应有很大影响.
当试件的变形 缩尺后桥墩模型尺寸及配筋如图2所示.
表1总 中国下商 2004年12月第57每第12期=4学报1055
结了试验模型的主要参数.
每个试件由3部分组成， 压力分别为68.5kN、98kN和127kN.
试验中，底座 即底座、墩身和墩帽，其墩身净高分别为0.5m、 直接锚固于刚性地基上.
3种高度桥墩的抗侧推刚度 1.0m和1.5m，墩身横截面尺寸分别为300mm× 分别为9.76kN/mm、4.53kN/mm和2. 17kN/mm 100mm、320mm×140mm和330mm×180mm.
需要说 图3（a）为试验所采用的摆锤撞击测试系统.
该系 明的是，30m原型桥墩为空心墩，在试验中考虑到桥 统主要由支撑钢架、钢箱、撞击锤头、钢绞线、脱钩 墩模型制作的方便性，将其按照等刚度原则制作为 装置等组成.
钢箱通过吊杆连接于钢架顶部的定滑轮， 实心墩.
桥墩模型均采用对称配筋，纵筋为HRB400 钢箱前部连接撞击锤头以提供撞击接触面并测量碰撞 钢筋，直径为6mm；配筋率与原型桥墩保持一致， 力，撞击锤头为钢制.
试验中，通过卷扬机将钢箱提 分别为0.6%、0.42%和0.43%.
箍筋采用HRB335 升至一定的高度从而获得相应的撞击速度，敲击脱钩 钢筋，直径为6mm，箍筋间距为100mm，钢筋的混 装置，则钢箱做单摆运动直至锤头与墩帽发生撞击.
凝土保护层厚度为20mm.
混凝土强度等级均为C30.
对于不同高度的桥墩，可通过更换不同长度的钢箱吊 试件轴压通过墩帽上的反力梁和千斤顶来施加，轴 杆来调节，以确保撞击发生于墩幅中心.
44 18 B8 (a)最高H=0.5m (b）最高H-1.0m (c）最高H-1.5m 图2试验模型尺寸及配筋（单位：mm） Fig 2 Dimensions and reinforcement of the experimental models ( unit: mm) 表1试验模型主要参数 Table 1 Main parameters of the experimental models 试件 B H A N E g f E (GPa) (MPa) (MPa) (kN/mm) E fax f. F. (m) (m) (mmXmm) (%) (kN) (GPa) (MPa) (×10~)( MPa) (kN) HSRP0. 5 0.5 0. 575 300×100 646 0.6 68.5 9.76 53.97 HSRP1.0 1.0 1. 075 320×140 646 0.42 98 0.1 210 382 19105910.12 (327) (1635) (357) (0. 12) 31.5 34.23 25.49 4.53 31.23 HSRP1. 5 1.5 1. 575 330×180 846 0.43 127 2. 17 26.89 注；A为桥增净高：H为撞击点至增底的高度；A为最身横截面尺寸：S为纵配筋；α为纵筋配筋率；N为轴压力；%为轴压比；E 为钢筋 弹性模量；α，、o，和e分别为实测纵筋屈服强度、区服应变、极限强度和失效应变，括号中的数据为撤筋的参数；E 为误掘土弹性模量： 和f分别为实测混凝土立方体和棱柱体抗压强度；k为桥墩的抗侧推刚度；F.为拟静力荷载作用下桥墩极限承载力.
位移计 加速度计 -17 1一试件：2-压电式力传感器：3-千斤顶：4一反力梁：5-预应力螺杆：6-操杆：7-刚性底座： 8一试验钢架；9-力锤：10-钢箱：11-可更换吊杆：12-钢套筒；13-脱钩装置：14-钢绞线； 15-防二次碰撞索；16-卷扬机：17-卷扬机固定架：18-措轮系统 (a）摆锤撞击系统示意图 (b）测点布置（单位：mm) 图3撞击试验装置及测点布置 Fig 3 The device for horizontal impact tests and the arrangement of sensors 试验中的撞击荷载是按照动量进行缩尺的.
试 av0.5ms .5/s .5/s 验前的大量数值模拟表明，原型桥梁中对墩顶撞击 速质 nragT 15m/s 的动量范围在0-340kNs，缩尺后的范围为0- 0.85kNs.
试验所采用的撞击钢箱质量可在0- 300kg调节，撞击速度可在0-3m/s调节，即撞击动 量可调节范围为0-0.9kNs，满足试验要求.
试验 BSRP-1.0 所测试的响应包括碰撞力、位移和加速度.
图3（b） 以1.0m桥墩为例给出了测点布置.
工院编号示例： HSRP-10-200-1.5 价维高度：1.0m 成15 在地震中，发生于墩顶处的撞击可能会多次发 图4墩顶撞击测试工况示意图 生.
因此，试验对桥墩模型进行了多次连续撞击测 Fig 4 Schematic diagram of horizontal impact testing cases 试.
对每个试件的试验顺序为：首先固定撞击质量 为100kg，撞击速度由0.5m/s增加至3m/s（= 始.
关键点Ⅱ为碰撞力峰值点.
在此之后，由动量 0.5m/s）：然后对撞击质量为200kg和300kg的情况 守恒定律可知，墩帽将会以比钢箱更大的速度运动， 进行同样操作.
图4为测试工况示意图.
后文采用 因此两碰撞体趋向于分离.
关键点Ⅲ表明两碰撞体 “桥墩类型-桥墩净高-撞击质量-撞击速度”的方式来 之间完成分离，碰撞力降至OkN.
关键点Ⅲ之后，构 命名测试工况.
需要说明的是，由于对每个桥墩进 件由于自身刚度的约束，墩帽运动速度将会显著降 行了多次测试，因此先行试验造成的桥墩损伤可能 低：由图5中的位移时程也可以看出，在关键点Ⅲ之 会影响后续试验的结果.
但是，通过对撞击试验后 后，墩顶位移的增幅显著减小，即运动速度显著减 试件的拟静力测试获知，撞击所导致的损伤对桥墩 小.
然而，钢箱动能的耗散仅有吊杆上部定滑轮的 的刚度影响相对较小，故对同一桥墩在不同撞击荷 摩擦作用，故其速度不会显著降低.
因此，在短暂 载作用下的测试结果进行对比也是可以接受的.
分离之后，锤头与构件之间会再次接触并产生碰撞 1.2试验结果 力（关键点IV）.
关键点V为第2次接触所产生的碰 1.2.1碰撞力响应 撞力峰值点.
可见，第2次接触所产生的碰撞力幅值 图5以典型工况HSRP-1.0-200-1.5为例，给出 显著小于第1次接触，这主要是因为第1次碰撞后， 了撞击过程中的碰撞力时程和墩顶位移时程.
图中 两碰撞体之间相对速度显著降低.
关键点V表示构 关键点I表示撞击锤与桥墩间初始接触，即碰撞开 件的位移达到最大值，在此之后，碰撞力主要是由 中国秀市纺用下商桥办案 2024年12月第57卷第12期=4学报1057
构件的反弹（由于恢复力的作用）从而对钢箱挤压所 持时.
图6（b）以1.0m桥墩受v=1.5m/s撞击速度为 产生的.
关键点V表明锤头与构件彻底完成分离， 例，给出了撞击质量对碰撞力时程的影响.
结果表 即整个碰撞过程结束.
在此之后，尽管两碰撞体间 明，撞击质量对阶段I中碰撞力的影响不明显，这 不再接触，但桥墩模型的动能和应变能并未被完全 是因为该阶段接触力主要受撞击速度、碰撞体的形 耗散，因此试件相当于做有阻尼的自由振动.
状和材料影响.
对于碰撞阶段Ⅱ，增加撞击质量 综合上述分析可知，一个典型撞击所产生的碰 不仅会增大碰撞力幅值，还会显著增大碰撞持时.
撞力时程主要由2个碰撞阶段组成，且二者之间通常 综合图6（a）和图6（b）可知，撞击速度对于2个碰撞 存在一个明显的分离阶段（见图5）.
其中，碰撞阶段 阶段的碰撞力幅值均有显著影响；而撞击质量对碰 I具有较短的持时但会产生较大的碰撞力幅值；碰 撞力的影响主要体现于碰撞阶段Ⅱ.
撞阶段Ⅱ的持时较长（数倍于阶段I），但产生的碰 桥墩高度对碰撞力时程的影响见图6（c）.
对于 撞力峰值显著小于阶段I.
碰撞阶段1，不同工况的碰撞力时程具有相似的发 阶分商阶段 阶段I 展趋势.
相比而言，桥墩高度对阶段Ⅱ的碰撞力时 程影响显著，即随着桥墩高度的增加，阶段Ⅱ的碰 100 撞持时显著增大.
对于H.
=0.5m桥墩，在撞击接触 过程中甚至观察不到明显的碰撞分离阶段.
这是因 40 为在完成碰撞阶段I后，该桥墩较大的刚度（见表1） 会使得墩帽的运动速度迅速减小，即在碰撞力还未 0.01 0.02 0.03 时同(s) 0.04 降至0kN时，墩帽的运动速度便降至小于钢箱速度， 从而进人碰撞阶段Ⅱ.
IA 200 100 0:00 0.01 0.02 0.03 00 图5工况HSRP-1.0-200-1.5碰撞过程中的关键点 时间（s) 0.03 0.04 Fig. 5 Key points of the impact process (a)）撞击速度的影响(H-1.0m，m-200kg) in case HSRP1. 02001. 5 N) 为深人探讨撞击参数对碰撞力响应的影响，本 文提出4个碰撞力特征值以方便总结描述，包括碰撞 力峰值F、碰撞冲量I、碰撞持时以及碰撞力均 值F.
其中，F出现于碰撞阶段I，可表征碰撞体 0.01 时间(s) 0.03 0°0 0.05 在接触瞬间的激烈程度；碰撞冲量/（按式（1）计算） (b) 撞击质量的影响(Hg-1.0m v=1.5m/s) 代表碰撞力对时间的累积效应，可反映碰撞体间动 120 0.5m 量的变化规律；为碰撞的持时；碰撞力均值F（按 式（2）计算）可反映整个接触过程中两碰撞体间相互 作用的激烈程度.
= F(t) de (1) 时间（） 0.03 0.04 0.05 F=1/t (2) （c）桥墩高度的影响（m-200kg，-1.5m/s) 式中：F（t)为碰撞力时程.
图6试验参数对碰撞力时程的影响 图6（a）以1.0m桥墩受m=200kg撞击质量为例， Fig. 6 Influences of test parameters 给出了撞击速度对碰撞力时程的影响.
对于碰撞阶 on the time history of pounding force 段1，较大的撞击速度会导致更大的碰撞力幅值， 图7为撞击速度和质量对碰撞力特征值的影响.
但其对该阶段的持时影响很小.
对于碰撞阶段Ⅱ， 结果表明，F随撞击速度显著增大，而受撞击质量 增大撞击速度不仅会增大碰撞力幅值还会增大碰撞 影响较小；由于具有较大撞击质量和速度的碰撞箱 中国024
