钢骨混凝土复合桥墩抗撞性能与设计方法研究

Bridge damage and collapse due to vehicle and ship collision with bridge pier has become an important prorblem highly concerned in bridge and transportation department recently. There are three major countermeasures to solve this problem: preventing pier from impact, reducing impact force, increasing impact strength of pier. Aiming at the problems that anti-collision device is bulky and expensive, adopting elastoplastic deformation of steel to dissipate impact energy , and having low efficincy of impact energy dissipation, the research contents of this project are: 1）to apply buffer matearial with high efficiency to the pier surface reducing impact force, and to embed profile steel strengthening impact rigidity and strength of pier, achieving double mechanism of buffering and stengthening;2）to research the failure mechanism ,dynamic analysis model and strength design method of steel reinforced concrete pieas subjected to eccentric compression and lateral impact, 3)to research the relasionship between the impact dynamic response of steel reinforced concrete pier and the buffer material properties, 4）to research the design value and control method of impact force； 5）to reaserch the optimization design method of comprehensive carrying capacity of piers. The research purpose of this project are :1)to explore new approach using profile steel to increase the impact carrying capacity of pier itself ,to solve fundamentally collapse problem of brideg subjected to impact, and to reduce the huge size and expensive cost of anti-collision device; 2)to clarify the composition mechanism of impact strength and dynamic response properties of steel reinforced concrete pier; 3)to reveal the law that the buffer material properties have an effect on the impact peak force and dynamic response of pier subjected to impact; 4)to establish the optimization design method of comprehensive carrying capacity of steel reinforced concrete piers based on increasing the impact carrying capacity.

桥梁遭受车船撞击而损坏跨塌，近年成为桥梁和交通部门高度关注的重要问题。解决桥梁受撞问题有三个主要对策：防止桥墩受撞击，减少撞击力，提高桥墩抗撞强度。针对目前采用的防撞设施体量庞大，造价昂贵，多采用钢材的弹塑性变形来消能减撞，其消能效率低等问题，本项目研究将高效消能材料设置在桥墩受撞面减少撞击力,内置型钢加强桥墩抗撞刚度与强度，实现缓冲增强双重机制；研究钢骨混凝土桥墩在偏心受压和侧向撞击下的破坏机理、动力分析模型及强度设计方法；研究桥墩撞击动力响应与缓冲材料特性的相互关系；研究撞击力的设计取值和控制方法；研究桥墩综合承载力优化设计方法。探索采用钢骨提高桥墩自身抗撞能力的新途径，解决桥梁受撞垮塌问题，减少防撞设施规模和费用。阐明钢骨混凝土桥墩抗撞强度组成机制与动力响应特性。揭示撞击过程中缓冲材料性能影响撞击力峰值和桥墩动力响应的规律。建立基于提高抗撞能力的钢骨混凝土桥墩综合承载力优化设计方法。

本项目对钢骨混凝土复合桥墩抗撞性能与设计方法进行了深入系统的研究。进行了复合缓冲材料和装置的吸能特性与效率试验研究，将其设置在桥墩表面，可显著减少撞击力。进行了钢骨混凝土梁及桥墩抗剪性能试验，研究了内置钢骨对抗剪强度的提高机理，建立了钢骨混凝土梁及桥墩抗剪强度计算公式。进行了钢骨混凝土桥墩水平撞击试验，研究了钢骨混凝土桥墩撞击破坏机理和撞击响应分析模型。建立了考虑剪切效应的钢骨混凝土桥墩动内力方程，揭示了桥墩撞击动力响应受剪切效应影响的力学特征。研究表明，剪切效应对桥墩撞击动力响应的影响较大，在桥墩抗撞强度设计中，需验算墩底主应力，以考虑剪切效应对桥墩撞击破坏的影响。研究了影响桥墩撞击位移放大系数最大值的主要因素，提出了桥墩撞击位移放大系数的工程实用计算方法。基于桥墩应变能相等，考虑桥墩弯曲变形和剪切变形，及撞击动态效应主要因素对撞击力的影响，建立了等效撞击力计算公式，得到等效撞击力与峰值力的关系，为桥墩抗撞设计提供了一种简捷取值方法，具有力学和试验依据。开展了缓冲效应对撞击响应影响的试验与力学分析计算研究，揭示了缓冲装置显著减少撞击力的机理，建立了含缓冲效应的等效撞击力计算公式，为撞击缓冲效应计算提供了具有试验依据的简捷方法。研究了钢骨设置方式对钢骨混凝土桥墩撞击性能的影响和提高机制。研究表明内置钢管的混凝土桥墩撞击力学性能较好，抗撞击承载力较高，为在混凝土桥墩中设置较优方式的钢骨提供了试验和理论依据。进行了钢骨混凝土桥墩抗撞强度计算研究，考虑材料应变率效应和钢骨对抗剪强度的贡献，建立了桥墩撞击抗剪强度计算公式，为钢骨混凝土桥墩抗撞击强度设计提供了试验和理论计算依据。开展了钢骨混凝土桥墩在竖向偏压下侧向静力和撞击力试验及承载力分析计算研究。研究表明，随偏心距增大，钢骨混凝土桥墩撞击承载力峰值呈曲线下降趋势。建立了钢骨混凝土桥墩在竖向偏压下的抗剪承载力计算公式。运用动力有限元进行了钢骨混凝土桥墩撞击性能数值模拟分析研究，研究了钢骨形式及配钢率对桥墩抗撞击性能的影响，分析了累次撞击对桥墩撞击动力性能的影响。研究表明，钢骨混凝土桥墩的撞击承载力随配钢率增加而提高，但有一定限度，累次撞击比单次撞击的桥墩撞击力有所降低。累次撞击下，钢骨混凝土桥墩比钢筋混凝土桥墩具有较高残余承载力。钢骨混凝土桥墩抵抗多次撞击的能力较强，耐撞性较好，综合抗撞性能好。