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考虑剪切效应的混凝土桥墩撞击性能：模型、分析与应用

一、引言

1.1研究背景与意义

随着交通事业的蓬勃发展，桥梁作为交通网络中的关键节点，其数量与规模不断增长。在公路交通中，桥梁使得道路能够跨越江河、山谷等复杂地形，保障了交通的连续性与高效性；在铁路交通里，桥梁是铁路线路的重要组成部分，对于高铁等快速运输系统而言，桥梁的稳定性和安全性直接关系到列车的高速、平稳运行。据相关统计，我国目前各类桥梁总数已突破百万座，广泛分布于城市道路、高速公路、铁路干线等交通要道。

然而，随着交通流量的日益增大以及运输环境的复杂化，桥墩遭受撞击的事故频繁发生。从车辆撞击桥墩的案例来看，部分货车司机疲劳驾驶、违规超载或者操作失误，都可能导致车辆失控撞上桥墩。在2005年，一辆大型水泥罐车由于司机疲劳驾驶，在穿行西固深沟桥双洞铁路桥时撞击桥墩，导致桥墩损坏；2008年1月29日，207国道襄城观音阁路段一大货车为避免与前行客车相撞，迎面撞上焦柳铁路立交桥桥墩。在水运交通方面，船舶撞击桥墩的事故也屡见不鲜。内河航运中，船舶数量增多，航道内船舶交通流密集，加上部分老旧桥梁建设标准低，船舶大型化趋势明显，使得船桥碰撞的风险加剧。据央广网报道，近几年水上交通事故频发，尤其是船撞桥事件，经不完全统计，4年内至少发生19起船撞桥事件。2024年2月22日5时30分左右，一艘集装箱船空载从佛山南海开往广州南沙途中，航经洪奇沥水道时触碰沥心沙大桥桥墩，致沥心沙大桥桥面断裂，事故造成5人死亡。

这些桥墩撞击事故不仅对桥墩自身结构造成严重损伤，如导致桥墩混凝土开裂、剥落，钢筋外露、变形，严重时甚至引发桥墩倒塌；还会对桥梁整体结构的稳定性和安全性产生巨大威胁，可能致使桥梁局部或整体垮塌。一旦桥梁出现安全问题，交通将被迫中断，不仅会给人们的出行带来极大不便，还会对物流运输等经济活动造成严重阻碍，导致巨大的经济损失，包括桥梁修复或重建费用、交通延误带来的经济损失以及事故救援和善后处理费用等。若事故发生在交通繁忙的城市中心区域或重要交通枢纽，还可能引发严重的连锁反应，造成人员伤亡和社会秩序的混乱。

在传统的桥墩撞击研究中，多采用刚性撞击物体撞击模型，并且常常忽略剪切效应等因素对撞击的影响。然而，实际情况中，桥墩受到撞击时，撞击物体与桥墩之间会产生明显的剪切效应。这种剪切效应会导致桥墩内部产生剪切应力和剪切变形，进而对桥墩的力学响应和破坏模式产生显著影响。忽略剪切效应可能导致对桥墩在撞击作用下的力学行为分析不准确，无法真实反映桥墩的实际受力状态和破坏机制，使得桥梁设计中对桥墩抗撞击性能的考虑不够全面和合理，从而影响桥梁结构的安全性和可靠性。因此，开展考虑剪切效应的混凝土桥墩撞击性能研究具有极其重要的意义。

本研究致力于深入探究考虑剪切效应的混凝土桥墩撞击性能，通过建立精准的力学模型，系统分析剪切效应对桥墩在撞击过程中的力学响应、变形特征和破坏模式的影响，为桥梁工程的设计、施工和维护提供坚实可靠的理论依据和技术支持。这不仅有助于提升桥梁结构的抗撞击能力和安全性能，有效降低桥墩撞击事故带来的风险和损失，保障交通基础设施的安全稳定运行，还能推动桥梁工程领域相关理论和技术的发展与进步。

1.2国内外研究现状

在混凝土桥墩撞击性能研究领域，国内外学者已开展了大量工作，并取得了一定成果。国外方面，美国德克萨斯州运输研究所在足尺撞墩实验基础上，采用有限元分析研究了车速对撞击力的影响，为后续研究提供了一定的试验和理论基础。澳大利亚昆士兰大学的H.M.I.Thilakarathna采用非线性数值分析模型，深入研究了车辆对墩柱的撞击作用，从数值模拟角度对桥墩撞击性能进行了剖析。

国内学者在该领域也有诸多研究。张南、王慧等人进行了3根钢骨混凝土桥墩模型和1根钢筋混凝土桥墩模型的侧向静力加载试验和水平撞击加载试验，分析了桥墩模型撞击破坏形态及影响因素，研究了内置不同钢骨形式对墩身应变增长、桥墩撞击开裂和撞击剪切强度的影响，并运用混凝土桥墩静力抗剪强度叠加原理，建立了预测钢骨混凝土桥墩撞击动力抗剪强度计算公式，为钢骨混凝土桥墩抗撞击强度设计提供了参考。陈林及其合作者针对车辆撞击桥墩研究领域中车辆撞击机理不够清楚、撞击力无法量化计算的问题，在国际上较早地揭示了卡车撞击的双阶段力学特性，并创造性地采用平行双弹簧构建了卡车撞击桥墩的耦合质量-弹簧-阻尼模型（CMSD模型），实现了该类车辆撞击力与桥墩响应的准确计算；同时，基于CMSD模型首次建立了计算桥墩车撞响应的反应谱法，实现了基于车辆质量、速度和桥墩尺寸等基本参数对桥墩响应的快速计算，为工程设计人员进行抗撞设计奠定了良好基础。

然而，在以往的研究中，对于剪切效应的考虑存在一定的局限