车辆对桥墩撞击作用下钢筋混凝土桥梁结构的易损性研究

Along with the continuous extending of the highway network and the large increase in traffic volume in our country, accidents of vehicle collisions with bridge piers happened occasionally. Risk of bridge piers under vehicle collisions has aroused wide attention from all walks of life; however, as one of the key links, the fragility study is still in its infancy.. In previous work, a simplified dynamic analysis method was proposed for piers collided by a typical type of trucks; and several lateral impact tests of reinforced concrete columns were conducted. Based on these work, this project tries to investigate the fragility of bridge structures under the vehicle-pier collisions using finite element modelling, risk analysis, and other methods; and the effects on the fragility of the impact characteristics of vehicles and the damage characteristics of the whole bridge structures will be focused. The specific content is as follows: 1) analyzing the basic mechanical characteristics of vehicle collisions, and developing a mechanical model of the vehicle impact demand; 2) analyzing the damage characteristics of reinforced concrete bridges, and developing a performance-based mechanical model of the bearing capacity of piers under vehicle impact; 3) analyzing the probabilistic characteristics of the parameters of the impact vehicles and bridges, and proposing probabilistic models of the vehicle impact demand and the bearing capacity of piers under vehicle impact, respectively, so as to build a fragility model for bridges. The research results would help to understand the safety of bridges under vehicle collisions, and lay the foundation of setting up a risk assessment system of bridge structures under vehicle impact in the future.

随着我国公路网的不断延伸以及交通运输量的大幅增加，车辆撞击桥梁墩柱的事故时有发生。桥梁墩柱的车撞风险已引起各界的广泛关注；但作为关键环节之一，其易损性研究还处于起步阶段。.申请人前期建立了某典型卡车撞击桥墩的简化动力分析模型，并对钢筋混凝土柱进行了多次侧向冲击试验。本项目基于前期研究工作，拟采用有限元模拟和风险概率分析等方法对车辆与桥墩撞击下桥梁结构的易损性进行专门研究，并特别考虑车辆撞击力学特征以及桥梁结构整体损伤特征对易损性的影响。具体内容包括：1）分析车辆撞击的基本力学特征，建立车辆撞击需求的力学模型。2）分析钢筋混凝土桥梁损伤特征，建立基于性能的桥墩车撞承载能力的力学模型。3）分析车辆与桥梁参数的概率特征，并分别提出车辆撞击需求和桥墩车撞承载能力的概率模型，从而建立桥梁的易损性模型。本研究成果将有助于了解桥梁在车辆撞击下的安全性，并为后续建立桥梁结构的车撞风险评估体系奠定基础。

随着我国公路网的不断延伸以及交通运输量的大幅增加，车辆撞击桥梁墩柱的事故时有发生。桥梁墩柱的车撞风险已引起各界的广泛关注，但作为关键环节之一的车撞易损性研究还处于起步阶段。有鉴于此，本项目对车辆与桥墩撞击下桥梁结构的易损性进行专门研究。.具体研究内容包括：1）结合有限元模拟和前期建立的车辆-桥墩碰撞的耦合质量弹簧（CMSD）模型，对车辆撞击桥墩以及车辆撞击护栏-桥墩系统的基本力学特征进行了深入的参数分析。2）通过有限元模拟与静力推覆试验等方法对钢筋混凝土（RC）桥墩的损伤特征及其承载能力（包括强度和变形）进行了综合研究。3）结合随机概率理论与RC桥墩的车撞损伤评估方法等，对RC桥墩的车撞易损性及风险进行了研究。.主要研究成果包括：1）提出了车辆撞击下弹性桥墩反力的反应谱计算方法，从而不需要采用复杂的有限元模拟即可较准确地分析桥墩在车辆撞击下的反力峰值。2）将已有的CMSD模型进行了优化，并拓展到轻型和中型两种卡车，为后期建立统一的车辆撞击力学模型奠定基础。3）发现了公路护栏高度及其设置距离对车辆撞击桥墩作用的影响规律，得到了护栏可能对车辆撞击桥墩作用造成负面影响的结论。4）提出了车辆撞击下RC桥墩轴力增量的修正计算公式，并进一步建立了一种RC桥墩车撞剪切损伤的简化评估方法。5）提出了多柱式RC桥墩车撞易损性和风险的建模方法，从而可以分析车辆撞击桥墩、桥柱剪切破坏和桥墩倒塌三种情景的超越概率，并进一步计算桥梁的车撞易损性和风险。6）参考地震损伤量化方法并结合RC桥墩的车撞损伤特征，建立了一种RC桥墩车撞损伤量化和分级的初步框架，特别是提出了一种基于变形的综合考虑剪力和弯曲损伤的量化指标。.本项目成果进一步完善了桥梁的车撞损伤评估方法，有助于提高桥梁在车辆撞击下的安全性，为后续建立基于性能的桥梁车撞风险评估体系奠定基础，也可为桥梁在其它灾害作用下的性能评估提供一定参考。