国内外越来越多的航道桥梁投入建设和运营，这些桥梁将承受各种常见冲击载荷，如风载荷、车辆载荷、过往船只载荷等。在这些冲击载荷中，船舶碰撞被认为是一个重要的问题。近年来，船舶撞击航道桥梁事故频发，经常会导致桥梁故障或倒塌、沉船及环境污染，甚至造成人员伤亡等严重的后果。因此，开展航道桥梁船舶撞击的研究对桥墩减轻或免受船舶碰撞作用具有重要意义。为了评估圆形截面钢筋混凝土桥墩抵抗船舶碰撞的性能，指导该类型桥墩的抗船撞冲击设计，本文开展了圆形截面钢筋混凝土桥墩缩尺模型的船舶撞击试验研究，基于LS-DYNA建立并验证了船-墩碰撞的非线性有限元模型，比较了试验结果、数值模拟结果与国外规范值，并分析了圆形截面桥墩抵抗船舶撞击的极限承载能力。

将桥墩简化为竖向力作用下的悬臂墩柱模型，通过不同撞击器（船艏模型、刚体）对轴向加载的圆形截面钢筋混凝土桥墩的撞击试验，研究水平正向撞击荷载作用下桥墩的撞击力和动力响应。试验模型与装置如图1、图2所示，详细过程与参数可详见英文原文。

图1  船艏试验模型

图2  桥墩模型与试验装置

试验中船艏模型速度为4.22m/s，对桥墩的撞击力与墩顶位移随时间变化如下图3所示。得到撞击力峰值为64.50kN、墩顶位移峰值为7.96mm。船撞撞击作用导致船艏发生剧烈变形，桥墩底部出现不明显裂纹，桥墩撞击点位置出现轻微划痕，如下图4。

图3  船艏撞击下桥墩撞击力及墩顶位移的时程曲线

 图4  撞击后船艏、桥墩变形

刚体以不同速度撞击桥墩时，撞击力与墩顶位移随时间变化如图5所示。随着撞击速度加大，墩顶位移增加，墩底裂缝持续扩大。当撞击速度达到4.15m/s时，撞击力峰值达到102.6kN，在墩底以上20cm位置处出现较大裂缝，导致桥墩破坏。

图5  刚体不同撞击速度下撞击力及墩顶位移时程曲线

基于LS-DYNA建立船舶与桥墩碰撞的非线性有限元建模，为了更真实地模拟钢筋混凝土材料的原型，采用离散模型法来模拟钢筋和混凝土模型，如下图6，更为详细的模拟方法与参数详见英文原文。研究表明所建立的有限元模型的桥墩破坏与试验现象基本一致（下图7），撞击力和墩顶位移的时程曲线与试验结果吻合良好（下图8），验证了本文模型的适用性和可靠性。

图6  船-墩碰撞的有限元模型

图7  船-墩碰撞后船艏及桥墩破坏情况比较

图8  撞击力及墩顶位移时程曲线比较

下表1对试验结果、模拟结果、AASHTO LRFD桥梁设计规范、欧洲规范进行了比较。试验撞击力与模拟撞击力相差在20%以内。当船撞击桥墩时，欧洲规范撞击力与本文数值模拟结果相近；当刚体撞击桥墩时，AASHTO规范船撞力与本文模拟结果更贴近。

表1  撞击力比较

通过纤维梁单元模拟桥墩，开展了圆形截面钢筋混凝土桥墩的非线性分析，研究其极限承载力。极限抗弯承载力计算结果与我国规范结果比较如下表2，计算结果比我国桥梁设计规范值高出15.31%。分别根据抗弯承载力与规范抗剪承载力计算桥墩最大抵抗撞击力，弯曲最大抵抗撞击力值低于剪力最大抵抗撞击力值，弯曲破坏先发生而决定了桥墩的最大抵抗撞击力。本文桥墩最大抵抗撞击力值为61.51kN，低于试验中测试得到的船撞最大撞击力值64.50kN，所以桥墩发生轻微破坏；而试验中刚体撞击桥墩的碰撞力较大，所以桥墩开裂明显。

表2  极限抗弯承载力比较

本文开展了圆形截面钢筋混凝土桥墩在船舶碰撞作用下的水平撞击试验和非线性有限元数值模拟研究，主要结论如下：

1）在撞击速度4.15m/s条件下，圆形截面钢筋混凝土桥墩的主要破坏模式为局部混凝土破碎的弯曲破坏，发生在墩底。

2）撞击持续时间与撞击器刚度有关，撞击器刚度越大，撞击持续时间越短。对于同一试件，撞击持续时间随着撞击能量的增加而减小，墩顶位移随着撞击速度的增加而增大。

3）有限元模型模拟结果与试验结果吻合良好，桥墩破坏与试验现象基本一致，撞击力和墩顶位移的时程曲线与试验结果吻合良好，验证了数值模型的适用性和可靠性。

4）AASHTO LRFD桥梁设计规范船撞力大于欧洲规范。在本文试验模型中，当船撞击桥墩时，欧洲规范撞击力值与数值模拟结果相近。当刚体撞击桥墩时，AASHTO规范船撞力值与模拟结果更贴近。

5）文中考虑螺旋箍筋约束对提高混凝土强度和极限应变的影响，提出了截面曲率法模拟弯曲非线性效应。通过建立纤维模型，计算得到的桥墩抗弯承载力值比我国桥梁设计规范值高出15.31%。