1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究杨孟刚1,2，李滨宏1,2，孟栋梁1,2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙 410075)摘要：为研究墩顶水平冲击作用下承插式预制桥墩的动力行为，对一承插式构件进行冲击试验。基于ANSYS/LS-DYNA对冲击试验进行有限元模拟，并通过试验结果验证了有限元模型的精确
2、性。在此基础上，通过数值模拟的方法分析冲击作用下承插式桥墩的内力(剪力和弯矩)变化规律和损伤机理，并探讨了冲击质量、冲击速度、承插深度以及接缝强度对桥墩动力响应的影响。结果表明：在初始接触阶段，桥墩的截面剪力和弯矩时程曲线出现明显振荡；相较于墩身顶部，墩身底部截面剪力和弯矩响应峰值出现具有滞后性。在墩顶位移峰值时刻，构件内力分布规律与在静载作用下的结果类似，即剪力沿墩身(不包含桥墩承插部分)呈矩形分布，弯矩近似呈三角形分布；在冲击荷载作用下，承插式桥墩的最大弯矩出现于墩身底部，而最大剪力截面位于桥墩承插段，构件的损伤主要表现为墩身底部的弯曲损伤和承插段的弯剪损伤。随冲击质量和冲击速度的增加，冲
3、击力、构件的剪力、弯矩和塑性变形响应均有所增大；相比冲击质量而言，冲击速度对冲击力峰值的影响更为显著。增加承插深度以及接缝强度可提高构件刚度，从而减小桥墩的水平位移，但会增大构件弯矩响应。研究成果可为承插式桥墩的抗冲击设计提供参考。关键词：承插式桥墩；墩顶水平冲击作用；试验研究；有限元模拟；动力响应中图分类号：U238 文献标志码：A 文章编号：1672-7029（2023）11-4221-12Dynamic response of socket piers under horizontal impact at pier topYANG Menggang1,2,LI Binhong1,2,ME
4、NG Dongliang1,2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:To investigate the dynamic behavior of socket precast piers under
5、horizontal impact at pier top,an impact test on a socket specimen was conducted.A finite element model was established using software ANSYS/LS-DYNA and validated by the experimental results.On the basis,the transmission of the internal forces(shear force and bending moment)and damage mechanism of th
6、e socket pier under impact load were analyzed.The effects of impact mass,impact velocity,socket depth and joint strength on the dynamic response of the socket pier 收稿日期：2022-11-18基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(52308224，52278232)；中 国 博 士 后 创 新 人 才 支 持 计 划(BX20230429)；中 国 博 士 后 面 上 项 目(2023M733970)通信作者：
7、孟栋梁(1991)，男，安徽合肥人，博士，从事桥梁抗震研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222218铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月were discussed.The results indicate that in the initial contact stage,obvious vibration can be found in the time histories of shear force and bending moment of the pier.The maximum internal forces at th
8、e socket pier bottom would appear later compared to those at the pier top.When the pier-top displacement reaches the maximum value,the distribution of the internal forces alone the pier(excluding the socket part)due to impact load is very similar to that due to static load,i.e.,the shear force and b
9、ending moment are distributed in a rectangular shape and a triangular shape along the pier,respectively.Under the impact load,the maximum bending moment appears at the bottom cross-section of the pier(excluding the socket part),while the maximum shear force appears in the socket part.Consequently,da
10、mage to the socket pier is manifested as the bending damage at the pier bottom and the bending-shear damage in the socket part.Increasing the impact mass and velocity will lead to a larger impact force and thus a larger shear force,bending moment and plastic deformation of the socket pier.Impact vel
11、ocity has a more significant effect on the generated maximum impact force than impact mass.Increasing socket depth and joint strength will increase the pier stiffness,resulting in a smaller displacement but a larger bending moment of the socket pier.The research results can provide a reference for t
12、he design of socket piers due to impact load.Key words:socket pier;horizontal impact at pier top;experimental research;finite element simulation;dynamic response 预制拼装桥梁施工技术具有施工速度快、环境污染小和工业化程度高等特点，因而具有广阔的发展和应用前景。其中，承插式桥墩由于运输方便、施工流程简单和便于快速拼装等优势，已被广泛应用在实际工程中1。目前，国内外已有许多学者对承插式桥墩的抗震性能开展了试验研究。CANHA等2研究了承插
13、式桥墩在拟静力荷载作用下的力学性能，结果表明桥墩破坏时的主要表现为承插部分之外的纵筋屈服。MA等3以某435 m连续梁桥为背景，研究了预制柱和基础之间的连接方式，发现界面粗糙处理的外部式承插桥墩相较于未粗糙处理的桥墩在小震作用下具有更好的适用性。XU等4对不同类型的承插式桥墩进行了拟静力试验研究，指出当承插深度取适当值时，桥墩的抗震性能可等同于整体现浇桥墩。由上述研究可知，通过拟静力试验来探究桥墩在地震荷载作用下的力学行为是一种常用的研究方法。然而，在实际地震作用下，桥墩除承受由地面传递至桥梁结构的地震荷载外，还有可能在墩顶遭受冲击荷载的作用。例如，对于跨越山河的连续梁桥，在过渡墩处相邻两跨通
14、常具有不同的梁高，因此在过渡墩处通常设置L形盖梁以使得上部梁体顶面标高保持一致。在地震作用下，主梁和盖梁之间会产生相对位移，当相对位移超过主梁与盖梁之间的初始间隙时便会发生撞击，即除地震荷载外桥墩还会遭受冲击荷载的作用。地震致桥梁撞击已经被认为是影响桥墩动力响应的重要因素58。然而，目前有关在冲击荷载作用下桥墩力学性能的研究主要关注于车辆产生的撞击911。王银辉等12对比了车辆撞击下的预制拼装桥墩和整体现浇桥墩的防撞性能，结果表明相较于整体现浇桥墩，预制拼装桥墩能够更快地减缓在车辆撞击下的振动，从而降低撞击对桥墩的损伤。HAN等13通过冲击试验探讨了承插式桥墩在车辆撞击作用下的动力行为，研究发
15、现承插深度对于桥墩的动力响应有着显著的影响，且桥墩的损伤程度随承插深度的增加而减小，但其未考虑轴压比的影响。综上所述，尽管目前关于桥墩的抗冲击性能已有一定的研究，但主要关注车辆的撞击作用(即冲击位置为桥墩中下部)，而对于墩顶冲击作用下桥墩的力学性能的研究鲜有报导。此外，有关承插式桥墩在墩顶冲击作用下的动力响应研究未见报导，因此有必要对此展开研究。本研究针对承插式桥墩进行了墩顶水平冲击试验，探究了承插式桥墩在水平冲击作用下的力学行为。基于 ANSYS/LS-DYNA建立了承插式桥墩受墩顶水平冲击4222第 11 期杨孟刚，等：墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究作用的有限元模型，并通过试验结
16、果验证了有限元模型的精度。在此基础上，分析了墩顶水平冲击作用下剪力和弯矩响应沿桥墩的变化规律以及构件的损伤模式，并进一步探讨了冲击质量、冲击速度、承插深度以及接缝强度等参数对构件动力响应的影响。1 墩顶水平冲击试验方案1.1试验模型与测试本试验设计了一个承插式桥墩试件用于墩顶水平冲击试验。试件由墩帽、墩柱以及底座3部分构成，其尺寸及配筋布置如图1所示。桥墩横截面尺寸为 150 mm100 mm，墩身部分高 1 000 mm，承插部分高100 mm。桥墩混凝土强度等级为C30；采用对称配筋，纵筋为 6根直径 8 mm 的 HRB400钢筋(配筋率为2%)；箍筋为直径6 mm的HRB335钢筋，间
17、距为60 mm。构件底座平面尺寸为700 mm700 mm，高225 mm。底座上预留的承插孔的平面尺寸为 250 mm200 mm，深 110 mm。试件安装前，对桥墩承插段进行凿毛处理，桥墩与底座之间的间隙采用超高性能混凝土(UHPC)灌浆处理。通过材性试验测得所用桥墩混凝土和UHPC的立方体抗压强度分别为34.2 MPa和156.1 MPa，纵筋和箍筋屈服强度为382 MPa和327 MPa。试验不考虑桩土相互作用，即底座固结。冲击试验系统如图2(a)所示，该系统主要由摆锤冲击装置、轴压加载装置以及测量装置3部分构成。摆锤冲击装置中，碰撞钢箱通过吊杆连接于钢架顶部的定滑轮处。试验时，通过
18、卷扬机将钢箱拉到预定高度(以获得预期冲击速度)并释放，之后钢箱做单摆运动直至与墩帽碰撞。钢箱前安装有钢制冲击力锤，从而实现对试件的冲击，冲击位置为墩帽的中心处。钢箱后设置挂耳，绳索与挂耳相连，在冲击后拉住绳索，防止二次碰撞。构件通过置于墩帽上的反力梁施加轴力，且通过力传感器精确控制轴压力的大小，本研究所考虑的轴压比为0.1(轴压力44.5 kN)。试验中所测量的响应主要包括冲击力时程和墩顶位移时程，分别采用冲击力锤上的力传感器和激光位移计测量，测点布置如图2(b)所示。冲击试验所考虑的冲击质量m=200 kg，冲击速度v=1.5 m/s。单位：mm图1承插式试件尺寸及配筋Fig.1Dimens
19、ion and reinforcement of the socket specimen4223铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月1.2试验结果及分析图3所示为冲击试验中所测得的冲击力和墩顶位移时程曲线。可以发现，试件受冲击过程可以分为以下3个阶段：1)初始接触阶段(关键点o关键点II)：在该阶段，钢箱与试件之间的相互作用最为激烈，冲击力在极短时间内(1.6 ms)便增至第 1 个峰值64.78 kN(关键点I)。然而，由图中的位移时程曲线可以发现，此时试件变形很小(1.2 mm)，即试件由弹性变形所产生的恢复力对于平衡冲击荷载的贡献很小，因此可以认为试件中的惯性力对于平衡
20、冲击荷载具有较大的贡献。由于钢箱质量大于桥墩墩帽，由动量守恒定律可知，在相碰后墩帽会以更大的速度运动，即钢箱与墩帽趋向分离，并于关键点II完成分离。2)持续接触阶段(关键点III关键点V)：在完成碰撞分离后，墩帽的运动速度由于受试件自身刚度的影响会显著降低；相比而言，钢箱的运动速度仅受吊杆顶部定滑轮处的摩擦影响，因而不会显著减小。因此在短暂的碰撞分离后，钢箱会与墩帽再接触(关键点 III)，从而进入持续接触阶段。在该阶段，两碰撞体间将会以相近的速度运动，直至墩顶位移最大时刻(关键点V)，因而会具有较长的持时。此外，由于再次接触时，两碰撞体间的相对速度小于初次接触，因而所产生的冲击力峰值(19.
21、65 kN)显著小于初始接触阶段所产生的冲击力峰值(64.78 kN)。3)构件回弹阶段(关键点V关键点VI)：在墩帽运动至最大位移后，桥墩在自身恢复力的作用下会以比钢箱更大的速度向初始平衡位置运动，直至钢箱和试件分离(关键点VI)。因此在该阶段的冲击力主要是由于墩帽对于钢箱的挤压产生的，且冲击力的幅值较小。2 有限元模拟及分析2.1有限元模型与验证为进一步探讨承插式桥墩在冲击荷载作用下的损伤模式以及动力响应，基于 ANSYS/LS-DYNA对第1节中的冲击试验进行了数值模拟，如图4所示。有限元模型中，构件混凝土、UHPC、钢箱和反力梁均采用单点缩减积分实体单元(SOLID164)模拟，钢筋采
22、用梁单元(BEAM161)模拟。单位：mm(a)冲击系统；(b)测点布置图图2试验装置Fig.2Experimental set-up图3试验结果Fig.3Experimental results4224第 11 期杨孟刚，等：墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究用于施加轴压力的预应力螺杆采用*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM模拟，钢箱和反力梁均采用刚性材料进行模拟(弹性模量为 2.06105 MPa)。C30混凝土和 UHPC均采用连续帽盖模型(CSCM)进行模拟，该模型可以考虑材料应变率对混凝土强度的增大效应。C30混凝土通过定义混凝土的单轴抗压强度(25.49 MPa)
23、和骨料最大粒径(10 mm)即可在模型中自动生成本构参数；UHPC 则根据GUO等14提出的改进CSCM本构模型输入模型参数。钢筋采用双线性弹塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)进 行 模 拟，通 过 Cowper-Symonds模型考虑应变率效应。忽略钢筋与混凝土之间 的 滑 移，通 过 定 义 关 键 字*CONSTRAINTED_LARANGE_IN_SOLID实现钢筋单元与混凝土单元的耦合。钢箱与墩帽以及反力梁与墩帽之间均采用面面接触来模拟其相互作用，底座固结。钢箱只释放冲击方向自由度，通过定义关键字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION 给钢箱以
24、初速度。考虑冲击过程中UHPC和预制桥墩之间接缝可能存在的失效行为，通过*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK 模 拟 两者的接触关系，该接触的失效准则可表示为：()|n|NFLS2+()|s|SFLS21(1)式中：NFLS和SFLS分别为接触面法向抗拉强度和抗剪强度；n和s分别为接触面法向拉应力和剪切应力。ZHAO等15建议NFLS取为界面两侧具有较低强度混凝土的抗拉强度，而普通混凝土抗拉强度一般约为其轴心抗压强度的 10%，基于此，本研究中 NFLS 取 2.55 MPa；SFLS 按照 ZHAO等15所提出的方法进行计算，取2.22
25、 MPa。图5对比了承插式试件在墩顶水平冲击作用下的试验结果和数值计算结果。图 5(a)表明，基于ANSYS/LS-DYNA 所建立的有限元模型可以较好地计算冲击力时程，其冲击力峰值及持时均与试验结果吻合良好。其中，数值计算及试验测得的冲击力峰值分别为 68.8 kN 和 64.8 kN，误差为6.17%。由图5(b)可知，有限元模型所计算的墩顶位移时程亦与试验结果吻合良好，计算及实测墩顶位移峰值分别为 15.8 mm 和 16.0 mm，误差为1.25%。因此，可以认为本研究所采用的建模方法和参数设置是合理可靠的，能够较为准确地模拟墩顶水平冲击作用下承插式桥墩的动力响应。后文将基于建立的数值
26、模型进行更深入的研究。2.2承插式桥墩在水平冲击作用下动力响应及损伤分析2.2.1动力响应分析为探究冲击荷载作用下桥墩墩身部分内力随时间的变化规律，沿墩身等间距选取 6个关键截面，每个截面间隔 200 mm，见图 6(a)。图 6(b)和6(c)所示分别为关键截面的剪力和弯矩时程曲线。可以发现，由于冲击导致的构件高频振动，截面剪力和弯矩时程曲线也出现了剧烈振荡。此外，图6(b)表明，不同桥墩截面的剪力峰值出现时刻并不一致，靠近墩柱底部的截面剪力峰值点出现时刻较晚。这说明在冲击荷载作用下，剪力沿桥墩的传递具有滞后性。不同截面弯矩峰值出现的时刻也存在类似规律，见图6(c)。为进一步探究在冲击荷载作
27、用下承插式桥墩的内力发展，图7和图8分别给出了不同关键时刻剪力和弯矩沿桥墩的分布。图中，剪力以冲击反方向为正，弯矩以迎撞侧混凝土受拉为正。所考虑的关键时刻包括 t1=1.6 ms，代表冲击力最大时图4承插式桥墩受墩顶水平冲击作用有限元模型Fig.4Finite element model of the socket pier under horizontal impact at the pier top4225铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月刻；t2=2.0 ms，墩身底部负剪力最大时刻；t3=4.5 ms，墩身底部正剪力最大时刻；t4=9.9 ms，墩底 弯 矩 最 大
28、 时 刻；t5=32.4 ms，墩 顶 位 移 最 大时刻。由图7(a)可以发现，在t1时刻，桥墩剪力主要在墩顶附近显著发展，墩身底部及承插部分的剪力甚至为负值；此外，图8(a)表明t1时刻墩身顶部出现了负弯矩，即墩顶背撞侧混凝土受拉，且弯矩沿桥墩呈非线性分布。该现象与在拟静力荷载作用下桥墩内力分布明显不同(在拟静力荷载作用下沿桥墩剪力呈矩形分布，弯矩呈三角形分布)。这可能是由冲击引起的构件剧烈振荡所导致的，即构件内部的惯性力影响着沿桥墩的剪力和弯矩分布16。虽然 t2=2.0 ms 时刻的冲击力(57.6 kN)相较于t1=1.6 ms时刻(68.8 kN)有所下降，但由于剪力和弯矩在桥墩中
29、的传递具有滞后性，构件的内力分布形状基本不改变而幅值有所增大。在t2时刻，墩身底部的负剪力增至最大(4.5 kN)，墩顶截面的负弯矩进一步增加至 2.08 kNm，见图 7(b)和图 8(b)。值得一提的是，在t1和t2时刻承插部分的剪力和弯矩幅值均处于较低的水平。发展至 t3=4.5 ms时刻，此时钢箱与构件已完成第1次接触(即冲击力为0 kN，见图5(a)，因此墩身顶部的剪力几乎为0 kN，弯矩亦接近于0 kNm。但由于惯性效应导致构件中剪力传递的滞后，此时墩身底部截面的正剪力才达到最大值(17.46 kN)。徐艳等17研究表明，对于承插式桥墩在水平方向的受力分析，可以将承台对于承插部分桥
30、墩的约束简化为在顶部和底部的支点。因此，沿桥墩的剪力在墩身部分与承插部分的交界处出现了明显的突变，且承插部分剪力幅值明显大于墩身部分(最大值为32.2 kN)，见图7(c)。同样的理由也可以用于解释，沿桥墩的弯矩在交界面附近出现了较大(a)冲击力对比；(b)墩顶位移对比图5冲击荷载作用下数值模拟与试验结果对比Fig.5Comparison between the numerical and experimental results due to impact load(a)关键截面；(b)剪力时程；(c)弯矩时程图6关键截面的剪力和弯矩时程曲线Fig.6Time histories of th
31、e shear force and bending moment at the key cross-sections4226第 11 期杨孟刚，等：墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究的幅值(6.97 kNm)，见图8(c)。在 t4=9.9 ms时刻，墩身底部的弯矩增至峰值(7.93 kNm)，但由于该时刻处于冲击的持续接触阶段，即冲击强度明显小于初始接触阶段，故构件的振动有所减弱，沿墩身的剪力和弯矩基本呈线性分布(见图 7(d)和图 8(d)。图 7(e)和图 8(e)表明，当墩顶位移达到峰值时刻(t5=32.4 ms)，由于构件和钢箱之间的相互作用进一步减弱，墩柱剪力和弯矩最大值较t
32、4时刻有所减，沿墩身部分的剪力基本呈矩形分布，弯矩呈三角形分布，近似于在拟静力荷载作用下的结果。这主要是因为相较于t1至t4时刻，t5时刻由冲击导致的构件振动进一步减弱(见图6(b)。图9(a)和9(b)所示分别为在所考虑的冲击荷载作用下，沿桥墩的剪力和弯矩包络图。由图9(a)可知，在墩身部分会在墩顶和墩身底部底截面出现较大的剪力，整个桥墩的最大剪力出现在承插部分(35.72 kN)，且剪力方向与冲击方向相同。在墩顶水平冲击荷载作用下，墩身顶部会出现较大的负弯矩，即会使背撞面一侧受拉。整个桥墩的最大弯矩(7.93 kNm)出现于墩身底部，且在迎撞面一侧受拉。2.2.2桥墩损伤分析图10所示为承
33、插式桥墩在冲击荷载作用下的有效塑性应变分布。由图10可知，冲击荷载作用后的承插式桥墩损伤主要集中在墩身底部以及承插部分。其中，墩身底部的损伤主要以弯曲损伤为主，在墩身底部的受拉侧出现水平裂缝。承插部分的损伤主要表现为弯剪损伤，在水平剪力和(a)t1=1.6 ms；(b)t2=2.0 ms；(c)t3=4.5 ms；(d)t4=9.9 ms；(e)t5=32.4 ms图7不同时刻剪力沿桥墩分布Fig.7Distribution of shear force along the pier at different instants(a)t1=1.6 ms；(b)t2=2.0 ms；(c)t3=4.
34、5 ms；(d)t4=9.9 ms；(e)t5=32.4 ms图8不同时刻弯矩沿桥墩分布Fig.8Distribution of bending moment along the pier at different instants4227铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月弯矩的共同作用下产生一条明显的斜裂缝。此外，由图10可以看出，在冲击荷载作用下，承插式桥墩在承插部分的损伤会比墩身部分更为严重。因此，在进行承插式桥墩设计时，应对承插部分予以加强。2.3参数分析基于前文获得验证的有限元模型，本小节将探讨冲击质量、冲击速度、桥墩承插深度以及承插部分和UHPC之间的接缝强度对
35、于承插式桥墩冲击响应的影响。2.3.1冲击质量和冲击速度对桥墩动力响应的影响图11(a)11(c)所示分别为冲击质量对于承插式桥墩墩顶位移、墩底剪力和弯矩时程的影响，对应的响应峰值被列于表1中。研究所考虑的冲击质量包括 m=100，200，300 和 400 kg，冲击速度v=1.5 m/s。可以发现，随冲击质量的增加，桥墩的墩顶位移响应显著增大，峰值由7.93 mm增加至25.46 mm(增幅为221.1%)。此外，冲击后桥墩的残余位移亦呈现出增大的趋势，这表明增加冲击质量会使桥墩更容易产生塑性变形。表1中的结果表明，随冲击质量的增加，冲击力峰值的增幅并不显著(由65.64 kN增加至76.
36、67 kN，增幅为16.8%)。图11(b)表明，墩身底部的剪力峰值通常出现于初始接触阶段，即剪力峰值主要受冲击力峰值的影响，因此墩身底部剪力峰值随冲击质量的增加不显著。由于在m=200 kg冲击下，墩身底部混凝土(a)剪力最大值分布；(b)弯矩最大值分布图9冲击荷载作用下沿桥墩剪力和弯矩包络图Fig.9Envelopes of shear force and bending moment along the pier due to impact load图10冲击荷载作用下承插式构件损伤情况Fig.10Damage to the socket pier under impact load42
37、28第 11 期杨孟刚，等：墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究已经出现开裂(即桥墩进入塑性变形)，因此墩身底部弯矩响应峰值随冲击质量的增加变化亦不明显。图12所示为冲击速度对桥墩动力响应时程的影响。所考虑的冲击速度包括 v=0.5，1.0，1.5和2.0 m/s，冲击质量 m=200 kg。随冲击速度的增加桥墩墩顶位移峰值显著增大，当冲击速度由 v=0.5 m/s增至 2.0 m/s时，墩顶位移峰值从 3.15 mm增大至21.81 mm(增幅为592.4%)。表1中的结果表明，随冲击速度的增加，冲击力峰值显著地由13.24 kN增加至93.84 kN(增幅为608.8%)，这也导致了墩
38、身底部的剪力和弯矩响应峰值大幅增长，增幅分别为227.4%和100.9%。上述结果表明，随冲击速度和冲击质量的增加，桥墩的墩顶位移峰值均显著增大；但相较于冲击质量，冲击速度对于冲击力峰值的影响更为显著，从而导致墩身底部剪力和弯矩响应的增加更为明显。2.3.2承插深度和接缝强度对桥墩动力响应的影响图13(a)13(c)以冲击荷载m=200 kg和v=2 m/s为例，给出了承插深度对于墩顶位移、墩身底部剪力和弯矩时程的影响，各响应的峰值见表1。表1表明，随着承插深度由75 mm增至175 mm，冲击力峰值和剪力峰值变化并不显著。这是因为冲击力峰值主要受冲击速度以及接触位置处的局部刚度等影响。又由于
39、墩身底部的剪力峰值主要受冲击力峰值的影响，因此随承插深度的增加，墩身底部剪力峰值的变化不显著。由图 13(a)和 13(c)可以看出，当承插深度由75 mm增加至125 mm时，墩顶位移显著减小，这是因为承插深度增加可增大底座对桥墩的约束作用，能够有效提高构件的整体刚度，从而限制了墩顶位移的发展。对于墩底弯矩而言，所考虑的工况的弯矩峰值时刻(约12 ms)对应的墩顶位移基本一致，因此构件刚度越大，墩底弯矩峰值越大，见图13(c)。相比较而言，当承插深度由125 mm增加至175 mm时，墩顶位移和墩底弯矩响应峰值的变化并不明显。这说明当承插深度超过 125 mm时，设置更大的承插深度对构件的整
40、体刚度的提高较为有限。图14所示为承插部分桥墩和UHPC之间的接缝强度(NFLS和SFLS)对于桥墩动力响应的影响。(a)墩顶位移；(b)墩底剪力；(c)墩底弯矩图11冲击质量对桥墩动力响应的影响(v=1.5 m/s)Fig.11Influence of impact mass on the dynamic responses of the pier（v=1.5 m/s）(a)墩顶位移；(b)墩底剪力；(c)墩底弯矩图12冲击速度对桥墩动力响应的影响(m=200 kg)Fig.12Influence of impact velocity on the dynamic responses of
41、the pier(m=200 kg)4229铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月为探究接缝强度对承插式桥墩动力响应的影响，将有限元模型中的接缝强度分别调整为原模型的0.5，1.0，1.5 和 2.0 倍(记为 JS=0.5，1.0，1.5 和2.0)。由图14可知，增加接缝强度也将增大构件的整体刚度，其对于桥墩动力响应的影响规律基本与承插深度一致，此处不再赘述。表1 研究参数对桥墩动力响应峰值的影响Table 1 Effects of research parameters on the maximum dynamic responses of the pier动力响应参数质
42、量m/kg(v=1.5 m/s)速度v/(ms1)(m=200 kg)承插深度h/mm(m=200 kg，v=2.0 m/s)接缝强度JS(m=200 kg，v=2.0 m/s)1002003004000.51.01.52.0751001251501750.51.01.52.0冲击力峰值/kN65.6468.7674.3476.6713.2443.6668.7693.8493.8593.8494.2793.9993.9095.4893.8494.2294.04位移峰值/mm7.9315.8421.1825.463.157.8915.8421.7126.9421.7120.3720.0319.9
43、624.6622.7520.4119.98剪力峰值/kN16.1517.4618.6618.935.309.7217.4617.3516.0317.3517.5317.3918.2117.7117.3516.8918.09弯矩峰值/(kNm)7.807.918.088.404.437.557.918.906.618.9010.4810.7310.707.298.9010.2710.75(a)墩顶位移；(b)墩底剪力；(c)墩底弯矩图13承插深度对桥墩动力响应的影响(m=200 kg，v=2 m/s)Fig.13Influence of socket depth on the dynamic r
44、esponses of the pier(m=200 kg，v=2 m/s)(a)墩顶位移；(b)墩底剪力；(c)墩底弯矩图14接缝强度对桥墩动力响应的影响(m=200 kg，v=2 m/s)Fig.14Influence of joint strength on the dynamic responses of the pier(m=200 kg，v=2 m/s)4230第 11 期杨孟刚，等：墩顶水平冲击作用下承插式桥墩动力响应研究3 结论1)在墩顶水平冲击荷载作用下，桥墩的受冲击过程主要包括3个阶段，即初始接触阶段、持续接触阶段和构件回弹阶段。在初始接触阶段，冲击力的幅值较大，桥墩剪力和
45、弯矩时程曲线出现明显震荡，同时在墩顶处出现了较大的负弯矩。相较于墩顶，墩底截面剪力和弯矩响应峰值的出现具有滞后性。在墩顶位移峰值时刻，构件内力分布规律与在静载作用下的结果类似，即剪力沿墩身(不包含承插部分)基本呈矩形分布，弯矩近似呈三角形分布。2)承插式桥墩在墩顶水平冲击荷载作用下的损伤主要表现为墩身底部的弯曲损伤和承插部分的弯剪损伤。这是因为桥墩的最大弯矩通常出现于墩身底部，而剪力最大值出现在桥墩承插部分。整体而言，承插部分相较于墩身部分更为严重，这在设计中应给予重视。3)随冲击质量和冲击速度的增加，冲击力、桥墩剪力、弯矩以及塑性变形均有不同程度的增加。相较于冲击质量，在所考虑的参数范围内，
46、冲击速度对冲击力峰值及桥墩内力峰值的影响更为显著。增加承插深度和接缝强度可提高构件的整体刚度，从而减小桥墩的位移，但会增大墩底弯矩峰值。参考文献：1晋智斌,陈科,陆军.预制浅承插式高强混凝土空心桥墩 抗 震 性 能 试 验 J.中 国 公 路 学 报,2022,35(4):128139.JIN Zhibin,CHEN Ke,LU Jun.Seismic performance of precast hollow high-strength concrete bridge columns with shallow socket connectionJ.China Journal of Highw
47、ay and Transport,2022,35(4):128139.2CANHA R M F,EBELING E B,CRESCE EL DEBS A L H,et al.Analysing the base of precast column in socket foundations with smooth interfacesJ.Materials and Structures,2009,42(6):725737.3MA Haiying,LAI Minghui,SHI Xuefei,et al.Experimental and numerical study on column-fou
48、ndation connection through external socket J.Journal of Civil Engineering and Management,2021,27(3):162174.4XU Yan,ZENG Zeng,WANG Zhigang,et al.Experimental studies of embedment length of precast bridge pier with socket connection to pile capJ.Engineering Structures,2021,233:111906.5MENG Dongliang,Y
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