文摘

车辆对桥墩的影响是桥失败的主要原因之一。由于vehicle-pier碰撞的增加,许多研究人员已经研究了RC桥墩在车辆碰撞的性能。另一种方法是添加钢纤维提高混凝土结构的抗冲击性和增强他们的能量吸收能力。然而,皮尔斯与钢纤维增强混凝土的性能研究冲击载荷下是有限的。本研究探讨了钢纤维增强混凝土的性能(10)桥墩受到冲击荷载。研究配筋码头的影响行为,数值模型的质量是由LS-DYNA桥墩与影响。数值分析的可靠性验证。调查影响质量的影响,影响速度,钢纤维的体积,混凝土等级,纵向钢筋的比例和影响行为的码头和力量的影响,进行了参数研究。有限元分析表明,钢纤维的加入抵抗侧向变形和显著影响加载下桥墩的破坏模式的影响。此外,影响桥墩的变形和力的影响主要是影响钢纤维的加入,冲击能量,比例的纵向钢筋和混凝土强度不敏感。

1。介绍

车辆碰撞的桥墩是桥失败的主要原因之一。由于增加vehicle-pier碰撞在过去的几年中,有增加数量的桥墩碰撞使用有限元模拟研究[1,2]。这些碰撞造成严重损坏桥结构,如桥崩溃(见图1)和码头断裂,而其他事故造成轻微损失码头,如混凝土的开裂(见图2)影响位置(4,5]。因此,有必要提高桥墩的抗冲击性给桥梁使用寿命长,研究混凝土桥墩的需求和破坏模式。

纤维的加入是另一种技术来提高桥墩的抗冲击性。纤维增强混凝土(FRC)是一种水泥基复合钢筋与离散纤维通常是随机分布的。纤维混凝土混合料以桥离散裂缝,从而增加裂缝的控制过程,也增加了骨折的能量,和提供更多的韧性行为(6]。纤维增强混凝土(FRC)已被证实能表现出优越的耐高应变率加载与普通混凝土相比,除了更好地控制塑性收缩和裂纹扩展。因此,纤维增强混凝土更通常用来抵抗影响或爆炸荷载在结构设计7,8]。

钢纤维增强混凝土是由水泥基体组成的复合材料与钢纤维不连续钢筋可以有效地用于结构的应用程序。这种材料具有良好的延性性能,提高能量耗散增加抗拉强度和冲击韧性,即使暴露在较高的温度。钢纤维嵌入混凝土更容易受到腐蚀。增加韧性减少或防止裂缝由于相对湿度、温度变化等。它的包容也增加了抵抗动态载荷(9- - - - - -12]。

混凝土的能量吸收能力可以增强由于纤维的存在13]。根据Ulzurrun et al。14),纤维增强混凝土梁已被证明超过三倍的能量吸收能力比普通混凝土相同的测试配置。钢纤维的加入使混凝土表现出更多的延性和增强开裂后行为相比完全脆弱的行为表现出了素混凝土。

数值和实验研究钢纤维钢筋混凝土梁受冲击荷载进行了金et al。10]。他们研究了迭合梁下的动态力学行为自由落下的落锤冲击测试12个简单支撑配筋梁不同箍筋率(0%,0.253%,0.502%)和不同的钢纤维体积分数(0%,1%,2%,3%)。研究结果表明,配筋梁的耐冲击,如裂缝模式,延性、耗能能力、变形恢复,可以提高钢纤维的加入和箍筋。

增加纤维的延性有明显影响脆性破坏机理、桥接拉伸应力甚至在宽裂缝开口通过撤出机制。这些纤维有效地限制微裂隙的扩展中不断发现混凝土。钢纤维混凝土减少纤维微裂隙附近的应力集中和桥梁的裂缝和传输部分荷载在裂缝(14- - - - - -18]。加强机制是密切相关的混合比和微/中构造配筋的几何特性,和钢纤维的力学性能。因此,对于冲动行为,防止脆弱的失败,FRC似乎是一个合适的替代传统的混凝土(10,14]。总的来说,这些研究大多关注调查的迭合梁在冲击载荷的行为。然而,调查的行为和冲击荷载下钢纤维增强混凝土桥墩的性能是有限的。因此,本研究进行了检查配筋码头冲击载荷作用下的性能。此外,它还研究了参数,可以引起严重损害桥墩和影响码头的行为和失效模式。码头模型验证通过比较数值位移,影响部队,与实验结果和裂缝模式迭合梁上的落锤冲击试验。在这项研究中,实验由金等。10)被用于验证有限元控制和材料特性影响下的码头模拟负载。基于验证数值,参数研究调查的影响参数和影响钢筋混凝土桥墩在车辆碰撞的行为。研究参数包括影响质量,影响速度,钢纤维的体积,混凝土等级,纵向钢筋的百分比。

2。数值模型

2.1。码头模型

在这项研究中,桥墩的细节被从刘et al。19]。码头有限元模型如图3和设计值表中列出1。

研究钢筋混凝土迭合桥墩,行为的影响不同的铁码头模型进行了分析。码头的有效高度是3.5米。码头的横断面直径是0.4米。如表所示1建模,所有样本都使用相同的横截面积和有效高度。钢纤维的物理性质如表所示2。

混凝土和钢固体和梁元素建模,分别。每个元素的网格大小是25毫米×25毫米。混凝土梁的行为是使用Karagozian和案例模拟混凝土(KCC)材料模型(c)MAT_072R3 (CONCRTE_DAMAGE_REL3) LS-DYNA中实现的。KCC模型包括材料参数代基于混凝土的无侧限抗压强度。此外,该模型允许用户指定配套材料模型参数的测试数据。使用的混凝土损伤模型是three-invariant模型三个剪切破坏表面,包括应变率和损伤的影响。单独处理体积和偏反应,通常由明确的规范。这种材料模型是plasticity-based配方和三个独立的表面,改变形状基于压力(20.- - - - - -22]。表中所示的值3本研究采用。

混凝土的塑性模型在主应力空间中表示。失败的一般特征表面被其横断面形状偏平面上和跟踪在子午面。定义本构模型的应力不变量(23,24]。三个强度表面允许的计算根据应变硬化和软化行为η- - - - - -λ关系,如图4。这个函数η(λ)增加了团结λ=λ米在当前的转变从屈服面表面的最大表面,这对应于硬化阶段。随后,η逐渐减少到零随着当前表面最大强度表面残余强度的表面。这种状态代表材料的软化行为(23,25]。然而,基于自动生成参数,数值结果可能不适合模拟配筋结构的响应,因为配筋变化的材料特性的钢纤维。参数之间的关系η和破坏参数λ或b1和b2的损伤演化参数c模型应该被修改。和表面强度应该修改基于几根标本实验三轴抗压测试。(我)最大强度的表面: (2)表面屈服强度: (3)表面残余强度:

据李et al。23),修改后的方程表面强度

之间的相关性η和λ可以制定 在哪里α,αc,αd参数影响的形状的硬化和软化区域应力-应变关系,分别。的参数λm对应η= 1与峰值应变有关。的参数α和αc影响硬化和软化区域的整体形状,分别αd影响软化区域的剩余部分。自添加钢纤维的形状几乎没有影响硬化部分的价值α是固定在2。材料模型03 (MA_PLASTIC_KINEMATIC)使用建模钢筋。这种材料模型的各向同性和随动强化可塑性包括应变效应。作为钢铁与其他模型相比,它是一个相对简单的双线性模型,但它非常具有成本效益的计算资源(1,26]。

2.2。触点类型

在这项研究中,自动地对地接触算法在LS -强啡肽的定义。有一个现实的模拟体相互作用下,静态摩擦系数(0.1)和动态摩擦系数(0.1)之间的迭合梁表面和落锤应用于整个身体。

2.3。模型验证

确保准确的有限元分析模型表示描述和神化的真实行为样本测试,验证是第一次进行。自从vehicle-pier碰撞实验数据非常有限,一个实验现象是用于验证代表类似的影响。验证了数值模型与实验结果匹配的冲击力和位移与公布的数据和通过比较裂缝模式迭合梁上的落锤冲击试验(10]。有十二根三点弯曲梁安排不同的钢纤维体积分数(0%,1%,2%,3%)和箍筋率(0%,0.253%,和0.502%)实验由金等。10]。配筋梁的尺寸2800毫米×200毫米×400毫米(长度、宽度和高度)和覆盖30毫米的厚度。锤应用于配筋梁的重量是393公斤,7.2米/秒的速度。落锤冲击试验设置和详细的钢筋布置在数据描述5和6,分别。

在这项研究中,四种类型的梁模型,每一个都有不同比例的钢纤维。第一个(b 0 - 25),第二个(B-1-25)、第三(B-2-25)和第四(B-3-25)梁由钢纤维的体积分数,ρ纤维的0%、1%、2%和3%,分别和马镫比率,ρsv的0.253%。冲击试验的数值模型是在LS-DYAN开发,如图7。表3显示了混凝土和钢筋的属性用于LS-DYNA。混凝土和钢纤维被CONCRTE_DAMAGE_REL3建模。的钢筋被MAT_PLASTIC_KINEMATIC建模。落锤之间的接触类型和梁自动表面表面。

梁的跨中挠度时程的比较得到LS-DYNA和光束的实验测试结果B-0-25图所示8。可以看到从图8(一个),数值结果的跨中挠度同意与实验测量。的最大位移冲击试验和数值结果是31.4毫米和30.2毫米,分别;不同的是3.8%。因为它是描述梁的跨中挠度B-1-25, B-2-25, B-3-25,数值结果与实验吻合较好,测量峰值前的跨中挠度时程,而甲流值的振动模拟没有偏转。尽管如此,它仍然可以表示,数值模拟充分捕捉反应冲击荷载下的钢纤维增强混凝土梁。

比较之间的影响force-time-history数值模拟和实验测量光束B-0-25, B-1-25, B-2-25, B-3-25如图9。可以看出时间历程的影响力量这些光束准确预测的数值模拟与实验结果。

2.4。沙漏控制的数值结果

各种能量的时程曲线的仿真如图B-1-25影响10。沙漏的能量很低,大约5%的总能量(< 10%)。因此,沙漏的能量相对较低的总能量影响仿真演示了分析结果的验收。

3所示。数值分析和参数研究

一旦验证了数值模型,参数研究调查的影响参数和影响钢筋混凝土桥墩的行为受到冲击载荷。这些参数包括影响质量,影响速度,钢纤维的体积,混凝土等级,纵向钢筋的百分比。摘要研究了参数提出了表的信息4。

3.1。影响质量的影响

研究影响质量的影响影响力量,位移,和影响行为的皮尔斯在冲击载荷下,三个码头有限元模型分析了冲击荷载下假设三个影响质量(3.5吨、10吨和30吨)。在这种有限元分析,撞击器的速度和体积的纤维含量是60公里/小时和0%,分别。和使用的混凝土等级是30 MPa纵向钢筋的比例,0.9%。分析结果的位移和冲击力时程曲线对应于不同的影响质量数据所示11和12,分别。位移时程曲线表明,最大位移随影响质量增加。的最大位移影响大众3.5吨和30吨下降了9.2%,增加了1.27%,分别比对照组标本(10吨)当其他参数保持不变。此外,冲击力被发现有一个比例关系影响质量,如图12。影响群众的冲击力峰值3.5吨和30吨下降了0.37%,增加了1.45%,分别比对照组标本(10吨)。

3.2。冲击速度的影响

在这项研究中使用的冲击速度是30岁,60岁,90公里/小时,调查其对行为的影响冲击载荷下的桥墩。在这种有限元分析,撞击器的质量和体积的纤维含量是10吨和0%,分别。有限元分析结果,影响速度的差异的影响在RC桥墩的最大位移和最大冲击力了。不同冲击速度的位移时程曲线如图所示13。它可以观察到,当冲击速度的增加,位移增加。随着冲击速度的增加从30 km / h - 60公里/小时,最大位移增加53.4%。的最大位移影响码头增加了38.7%,当冲击速度从60公里/小时提高到90公里/小时。如图14时程曲线的影响力量与速度的影响不同。可以观察到的最大冲击力增加时的增加速度的影响。当冲击速度从30公里/小时增加到60 km / h,冲击力峰值增加了68%,当冲击速度从60公里/小时提高到90公里/小时,冲击力峰值增加27.4%。

这一结果的主要因素在于能量的影响。影响速度的增加导致更高的冲击能量,导致一个更大的最大冲击力。图中显示,冲击速度也影响持续时间的影响。冲击速度越高也导致了影响持续时间相对较长,因为高桥墩的变形由于更高的吸收冲击能量。

3.3。钢纤维的体积的影响

在这项研究中,调查的影响钢纤维的体积在冲击载荷下桥墩的行为进行了不同量的钢纤维(0%,1%,和2%)使用有限元模拟。在有限元模型中,撞击器的质量和速度是10吨和60公里/小时,分别。纵向钢筋和码头30 MPa和0.9%。在有限元分析结果的影响不同钢纤维的体积最大位移,冲击力峰值,桥墩的故障模式进行了调查。码头的最大位移时程曲线对不同钢纤维体积见图15。当钢纤维添加量1%,最大位移控制标本相比减少7.4%(0%)当其他参数保持不变。当钢纤维的体积增加到2%,最大位移控制标本相比减少13.04%(0%)当其他参数保持不变。码头的冲击力时程曲线的不同量的钢纤维在图所示16。当钢纤维添加量1%,冲击力峰值控制标本相比增加9.7%(0%)当其他参数保持不变。当钢纤维的体积增加到2%,冲击力峰值控制标本相比增加6.7%(0%)当其他参数保持不变。

桥墩的破坏模式不同量的钢纤维在图所示17。钢纤维的体积为0%时,桥墩经验丰富的本地损伤位置和横向变形的影响。随着钢纤维的体积增加1%和2%,局部损伤发生在受影响的区域。它可以观察到,桥墩的横向变形减少随着钢纤维的体积增加。

3.4。混凝土等级的影响

探讨混凝土等级对位移的影响行为的影响和桥墩的冲击力,三个铁码头模型与混凝土抗压强度的30岁,60岁,90 MPa,钢纤维进行了分析。在这些模型中,撞击器的质量和速度是10吨和60公里/小时,分别。和纵向钢筋的百分比是0.9%。调查的影响混凝土等级的影响行为的码头,1%钢纤维使用。位移时程曲线为不同等级的混凝土和钢纤维在图所示18。如图所示,所有的位移峰值约为82毫米,这表明耐冲击的桥墩混凝土强度几乎是不敏感的。这是因为变形主要是由墩刚度和能量的影响,而墩的刚度几乎是不受混凝土的强度的影响。因此,混凝土强度对最大位移的影响很小,当冲击能量和桥墩的几何形状保持不变。的冲击力时程曲线不同的优势与钢纤维混凝土在图所示19。可以观察到,码头的冲击力峰值增加11.4%时,与钢纤维混凝土强度从30 MPa(控制标本)增加到60 MPa。和码头的冲击力峰值增加21.4%时,与钢纤维混凝土强度从30 MPa提高到90 MPa。

3.5。纵向钢筋的百分比的影响

码头的有限元模型与纵向钢筋的百分比为0.9%,1.6%,和3.6%钢纤维进行了分析,以确定其对最大位移的影响和影响的力量冲击载荷下的一个码头。在这些模型中,撞击器的质量和速度是10吨和60公里/小时,分别。混凝土的抗压强度码头30 MPa。调查的影响比例的纵向钢筋的影响行为的码头,1%钢纤维使用。位移时程曲线对应于不同百分比的纵向钢筋与钢纤维是描绘在图20.。如图所示,桥墩的位移峰值0.9%和1.6%比例的纵向钢筋(81毫米)类似,和78毫米的百分比纵向钢筋与钢纤维3.6%。

这表明皮尔斯与钢纤维的耐碰撞几乎是对纵向钢筋的百分比。这是因为变形主要是由冲击能量控制。的冲击力时程曲线不同百分比的纵向钢筋与钢纤维在图所示21。可以观察到,码头的冲击力峰值的比例增加了20.1%,当纵向钢筋与钢纤维(控制标本)从0.9%上升到1.6%。和码头的冲击力峰值增加了42.5%,当纵向钢筋与钢纤维的比例从0.9%上升到3.6%。

4所示。结论

这项研究调查了RC和配筋的性能冲击载荷下桥墩。在这个调查中,有限元建模的详细描述冲击载荷下的钢纤维增强混凝土桥墩使用LS-DYNA提出了使用非线性材料本构和验证方法,考虑应变率的影响。根据验证数值模型,进行了参数研究,分析影响质量的影响,影响速度,钢纤维的体积,混凝土等级和比例的纵向钢筋在码头上的行为。皮尔斯的失效模式之间的关系的分析也执行。以下几点是主要的这项研究的结果得出的结论:(我)有限元分析结果表明,配筋梁受冲击载荷的影响反应生成的数值分析描述了一个良好的协议与实验测试之前进行的。这演示了使用的有限元模型的合理性和准确性在这个调查分析影响响应的迭合码头。然而,也有一些不同的配筋梁的位移时程曲线峰值后的标本。不过,可以说,FE模型在这个研究揭示了影响响应的迭合码头。(2)影响桥墩的变形和作用力主要是能量控制的影响。随着冲击速度的增加从30 km / h - 60公里/小时,90公里/小时,最大位移增加了53.4%和38.7%,分别。当冲击速度从30公里/小时增加到60公里/小时,90公里/小时,冲击力峰值增加68.0%和27.4%,分别。此外,影响群众的最大位移为3.5吨和30吨下降了9.2%,增加了1.27%,分别比控制标本。(3)对混凝土强度变形不敏感。和码头的冲击力峰值增加20.1%和42.5%,纵向钢筋与钢纤维的百分比是1.6%和3.6%,分别。因此,碰撞阻力提高桥墩的纵向钢筋的比例更高,这力量可以抵御巨大的影响。(iv)钢纤维的加入显著影响冲击荷载下的桥墩的破坏模式。添加1%和2%钢纤维的体积分数最大位移降低7.4%和13.04%,分别。码头没有钢纤维表现出横向变形和局部损伤,即使在桥墩混凝土的强度提高。然而,皮尔斯与钢纤维表现出局部损伤。因此,我们可以得出结论,钢纤维的加入有助于抵抗荷载下桥墩的横向变形的影响。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有已知的利益冲突这个study.Disclosure出版

这项研究的部分实现了要求的结构工程专业理学硕士学位。