桥梁隔离式复合材料防船撞管桩受弯性能试验与设计_高世阳.pdf

复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.006桥梁隔离式复合材料防船撞管桩受弯性能试验与设计高世阳，方海*，葛益玮，梁勇强(南京工业大学 土木工程学院，南京211816)摘要:纤维增强复合材料具有轻质高强、可设计性强、耐候性好等特性，可用于桥梁防船撞领域。本文针对纤维增强复合材料缠绕管桩进行了桥梁隔离式防撞系统的研究。对纤维增强复合材料缠绕管桩构件开展了抗弯试验，对比分析了不同纤维缠绕角度和管壁厚度对管桩受弯破坏模式及其力位移曲线的影响。基于弯曲试验结果，计算了缠绕管桩的弹性模量，根据理论计算设计出悬臂桩和支撑桩两种受力形式的单根防撞管桩，继而给出了排架式管桩防撞系统的设计建议。关键词:纤维增强复合材料;缠绕管桩;桥梁防撞;弯曲试验;理论计算中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03003906Test and design of flexural behavior of bridge isolation composite antiship collision pipe pileGAO Shiyang，FANG Hai*，GE Yiwei，LIANG Yongqiang(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China)Abstract:Fiber reinforced composites have the characteristics of light weight，high strength，good designability，good corrosion resistance，and can be used in the field of bridge anticollision In this paper，the isolated anticol-lision system of bridge was studied for the fiber reinforced composite winding pipe pile Bending tests were carriedout on fiber reinforced composite winding pipe piles，and the failure modes and forcedisplacement curves of thewinding piles under different winding angles and thicknesses were compared and analyzed The elastic modulus ofthe winding pipe pile was calculated according to the test results，and according to the theoretical calculation，a sin-gle anticollision pipe pile with cantilever pile and support pile is designed，and then some design suggestions foranticollision system of the bent pipe pile were providedKey words:fiber reinforced composite;winding pipe pile;bridge anticollision;bending test;theoretical a-nalysis收稿日期:20220214基金项目:国家自然科学基金项目(52078248);江苏省杰出青年基金项目(BK20190034);湖南省交通运输厅科技项目(201916)作者简介:高世阳(2000)，男，学士，主要从事桥梁工程方面的研究。通讯作者:方海(1981)，男，博士，教授，主要从事桥梁防撞和复材结构方面的研究，。对桥梁来说，船舶碰撞产生的荷载是一种重要的偶然荷载1。船撞事故中，桥墩直接遭受船舶撞击时，往往导致船毁桥塌，已成为交通运输领域的重要灾种2。现有的桥墩防撞设施种类繁多，按照防撞设施设置的位置分为距离桥墩安装的间接构造和附着于桥墩安装的直接构造。间接隔离式防撞设施常采用人工岛以及钢或混凝土群桩、独立防撞墩3 等形式。此类防撞设施能有效避免船舶直接撞击桥墩，但受撞后难以修复，对船舶损害较大，且造价偏高，不太适合水位变化大的桥区。附着于桥墩安装的防撞设施常用橡胶护舷，可多次重复使用，但是其吸收的碰撞能量少，仅可避免混凝土墩身局部撞损。钢结构或钢覆复合材料套箱防撞装置一般安装在承台或桥墩周围，主要靠钢材的塑性变形和破损来吸收撞击能量，属于直接构造压坏变形型防撞装置，是国内使用非常广泛的一种防撞设施，存在刚度大、修复困难、船舶损伤大等问932023 年第 3 期桥梁隔离式复合材料防船撞管桩受弯性能试验与设计题。近年来，纤维增强复合材料也逐步应用于防撞设施4，方海等提出的固定式泡沫夹芯格构增强复合材料防撞设施、自浮式格构增强复合材料防撞设施和纤维增强橡胶基复合材料软体防撞设施58，具有弹性缓冲能力强、耐久性好的优点。附着式防撞设施具有良好的缓冲吸能效果，能有效抵御船舶撞击，但是这种防撞设施和桥墩直接连接，在船舶撞击过程中，桥墩仍会承担部分船撞力，可能会产生结构损伤。本文结合了间接隔离式群桩防撞设施和附着式复合材料防撞设施的优点，提出了一种桥梁隔离式复合材料防船撞管桩，采用纤维缠绕工艺制备9，该工艺可设计性强，可调整管桩的纤维缠绕角度、壁厚等参数以满足不同撞击荷载需求。复材管桩通过弹性侧向大变形获得良好的能量吸收能力，并可采用横系梁将多根管桩连成排架结构，环绕在桥墩周围，形成隔离式防撞设施，参见图 1。图 1复材管桩布置示意图Fig.1Layout diagram of composite pipe pile1纤维增强复合材料管桩弯曲试验本试验采用南京工业大学复合材料结构实验室电子万能试验机进行加载，最大试验力为5 000 kN，试验机测力精度等级为05 级，位移分辨率为001 mm，位移测量准确度为0.5%，变形测量准确度为0.5%。复合材料防撞桩柱试件直径均为 300 mm，试件总长度为2 800 mm，净距为2 400 mm，详细试件尺寸参见表 1。试件纤维体积含量约为 70%，分为 45和75两种纤维铺层角度。三点弯曲试验加载点设于跨中，加载头为 U 形，近似模拟弧形船首。弯曲试验加载装置和应变片布置参见图 2。表 1复合材料缠绕管桩试件Table 1Details of composite winding piles试件编号铺层图示铺层角度壁厚/mm径厚比D/tD32045D33245451030161875D32075751030图 2弯曲试验加载装置和应变片布置图Fig.2Experimental setup for bending tests anddistribution of strain gauges试验加载速度为 2 mm/min，加载方式采用连续加载。试件跨中沿轴向/环向每间隔 45布置应变片，分别监测轴向/环向应变。试件 TD32045、TD32075 和 TD33245 分别在压缩至 70 mm、30mm 和 100 mm 处进入“屈服阶段”。试验过程中，荷载出现明显下降或试件下表面出现明显破坏则终止试验。各试件的破坏模式归纳于表 2。试件 TD32045在弯曲试验过程中，当试件上部压应力达到树脂的抗压强度时产生开裂;当压应力达到纤维丝的抗压强度时，纤维丝沿缠绕方向产生环向开裂，且裂缝持续扩大。试件受拉区的树脂和纤维未达到极限抗拉强度，只有上表面产生的环向开裂延伸至部分下表面，但并不明显。可见，试件呈现出局部受压破坏，在达到试件的极限荷载时并未产生下部的弯曲破坏。对于增加壁厚的试件 TD33245，其破坏模式与试件 TD32045 相似，均呈现出上表面局部受压破坏，但可以观察到明显的剥离现象，破坏程度较试件TD32045 严重。这是由于增加试件壁厚，径厚比减小，造成竖向刚度增加，能量被集中吸收，但试件的整体弯曲承载能力得到提高，极限荷载显著增加。042023 年 3 月复合材料科学与工程表 2破坏模式Table 2Failure modes试件破坏形式外部内部破坏模式TD32045局部受压破坏TD33245局部受压破坏TD32075整体剪切破坏相较于45缠绕管桩，采用 75缠绕的试件 TD32075 的破坏模式显著不同。该试件首先在受压上表面发生局部破坏，最外层树脂在接触加载头后局部断裂，试件整体开始弯曲;之后，由于试件下表面受弯，产生了多道明显的沿缠绕方向的裂痕，伴随着纤维持续的拉断声，试件发生典型的剪切破坏。试件内部由于不同纤维铺层间拉弯耦合效应产生挤压褶皱10，纤维丝与试件发生剥离。各试件的荷载位移曲线如图 3 所示。试件 TD32045 在达到弹性极限荷载后，进入了短暂的“屈服”平台阶段。该阶段试件表现为整体弯曲，受压部分持续破坏，下部受拉部分未发生破坏;之后试件进入荷载缓慢下降阶段，表现出良好的延性特征。试件 TD32075 在达到弹性极限荷载时，形成多条明显的剪切斜裂缝，且缠绕纤维沿环向持续破坏，之后曲线未表现出明显的屈服平台特征，而是进入下降阶段。可以发现，剪切裂缝的扩展导致了试件整体刚度的降低和承载力的突降。试件 TD33245 在达到弹性极限荷载后，由于壁厚较大，上部受压区的树脂基体与纤维断裂造成承载力突降，随后承载力缓慢上升，试件呈现整体弯曲;之后曲线呈现阶梯式下降，表现出较好的延性特征。图 3荷载位移曲线Fig.3Loaddisplacement curves综上可见，增大纤维缠绕角度会使管桩试件“屈服”阶段提前，并改变试件的破坏模式;而增加壁厚会延缓屈服阶段的出现。此外，缠绕角度对试件的变形量产生了较大的影响，45缠绕试件的变形量大于75缠绕试件。弯剪状态下，45缠绕管试件的荷载位移曲线总体分为弹性上升阶段和“屈服”平台阶段两个阶段，75缠绕管总体分为上升阶段和下降阶段，但是其下降阶段荷载变化呈阶梯状，代表其具有一定的延性。可见，当缠绕角度相同时，增加试件壁厚，弹性极限荷载和初试刚度将明显提高;而当试件壁厚相同时，增大纤维缠绕角度，试件承载力却明显降低。2纤维增强复合材料管桩防撞设计2.1设计流程选取45缠绕角度的纤维增强复合材料管桩进行防撞桩设计。根据防撞需求和设计参数计算出防撞桩抗弯承载力和抗剪承载力，初步设计管桩尺寸。桩抗弯承载力和抗剪承载力计算公式如下。(1)抗弯承载力利用桩的弯曲“屈服”强度确定桩的抗弯承载力:Mcap=(FyI 1 000)/c(1)其中:Mcap为桩弯矩，kN m;Fy为弯曲应力，MPa;I 为惯性矩，m4;c 为中性轴到外表面的距离，m。(2)桩抗剪承载力桩的抗剪承载力根据桩的抗剪强度确定:Vcap=(3 AFv1 000)/4(2)其中:Vcap为桩剪力，kN;Fv为抗剪强度，MPa;A 为桩截面面积，m2。2.2悬臂桩设计计算防撞桩可设计为悬臂桩和支撑桩，悬臂桩桩顶142023 年第 3 期桥梁隔离式复合材料防船撞管桩受弯性能试验与设计自由，在受到撞击时，撞击点以上不存在剪力与弯矩，但挠度较大。这里先对悬臂桩进行设计。悬臂桩计算简图见图 4。图 4悬臂桩受水平撞击力示意图Fig.4Schematic diagram of cantilever pile设计悬臂桩时，应检验桩顶的最大侧向挠度，以确保桩不接触桥墩结构。(1)撞击点的最大荷载计算撞击点的最大荷载 P 由桩的弯矩承载力确定:P=Mcap/b(3)其中:P 为最大荷载，kN;Mcap为桩最大弯矩，kNm;b 为撞击点到固定位置的距离，m。(2)撞击点处的挠度计算=(P b3)/3 EI(4)其中:为位移，m;EI 为弯曲刚度，kN m2。(3)撞击点处的最大能量计算Emax=05 P(5)依据规范11，由试验曲线得出试件 D33245 的弹性模量 E=686.90 MPa，桩的惯性矩 Ip=1.98104m4;抗弯刚度 EI=136 kN m2。由图 3 荷载位移曲线可知该试件的极限荷载为 89.39 kN，计算出桩的最大弯矩为 37.76 kN m。假设桩的最大弯矩出现在挠度固定位置，推算出悬臂桩的撞击点到挠度固定位置的距离为 0.42 m，则撞击点处的侧向挠度=2.45103m。最后，根据撞击点的挠度推算出桩顶悬臂的最大挠度。撞击点处的最大能量 Emax=0.11 kJ。2.3支承桩设计计算支承桩桩顶受到约束，桩顶可以通过橡胶护舷与桥梁承台相连，受到撞击时，撞击点上下均存在剪力和弯矩，但挠度较小，支承桩受力计算简图见图 5。图 5支承桩示意图Fig.5Schematic diagram of supported pile(1)撞击点的最大荷载计算撞击点的最大荷载 P 由桩的弯矩承载力或固定点处桩的弯矩承载力确定:M1=(P b2)(a+2 L)a/(2 L3)(6)M2=(P a b)(a+L)/(2 L2)(7)其中:M1为最大弯矩，kN m;P 为最大荷载，kN;a 为撞击点到连接处的距离，m;b 为撞击点到挠度固定位置的距离，m;L 为连接处到挠度固定位置的距离，m。因此，P1=M1(2 L3)/b2(a+2 L)a(8)P2=M2(2 L2)/a b(a+L)(9)桩支撑反力 1为:1=(P b2)(a+2 L)/(2 L3)(10)1=M1/a(11)(2)撞击点处的挠度计算=(P a2b3)(3 L)+a/(12 EI L3)(12)(3)撞击点处的剪力计算V1=P b2 a+(2 L)/(2 L3)(13)V2=P a 3+(L2a2)/(2 L3)(14)(4)撞击点处的最大能量计算Emax=05 P(15)试件 D33245 的弹性模量 E=686.9 MPa，桩的惯性矩 Ip=1.98104m4，抗弯刚度 EI=136 kNm2。该防撞桩受力状态与弯曲试验相似，假定其最大弯矩在撞击点位置，M1=37.76 kNm，L=2.8 m，a=1 m，b=1.8 m。撞击处最大荷载为 P1=77.53 kN，P2=69.25 kN。桩支撑反力 1=37.76 kN。撞击点处的挠度=0.119 m。撞击点处的剪力 V1=37.96 kN，V2=17.38 kN。撞击点处的最大能量 Emax=4.61 kJ。242023 年 3 月复合材料科学与工程3纤维增强复合材料管桩排架结构实际工程中，为了防止单根防撞桩产生较大的侧向位移，常常将多根管桩设置成排架形式形成整体防护，且横系梁可以有效增加结构的稳定性，从而减小防护结构变形。管桩排架结构如图 6 所示。管桩间距和横梁间距可以根据实际工况，通过荷载横向分布系数以及结构横向和纵向刚度之间的关系求得12，也可通过数值模拟进行参数化分析获得1315。当船撞能量较大时，复合材料管桩内可填灌混凝土等材料以增大抗撞能力。图 6管桩排架分析图示Fig.6Pile group analysis diagram现将整个防护系统视为悬臂框架板。框架板式结构纵向刚度为 Dy，横向刚度为 Dx，整个结构体系的荷载横向分布状况以横向分布系数 DF值衡量，对于各种变刚度的结构体系，部分横向分布系数 DF值可通过大量的计算机分析得出。(1)力加速度公式用该公式设计时，应预先假设容许位移值s和防护系统的初试刚度值 I。船舶与防护系统相撞时，作用在防护系统上的撞击力为:Fa=M(V21V22)/(2 s)(16)式中:Fa为作用在防护系统上的船舶撞击力;M 为船舶质量;s为碰撞位置处的防护系统变形;V1为撞击初速度;V2为撞击末速度。防护系统对船舶的反力为:Fr=3EI s/(DFL3)+(K s)(17)式中:Fr为防护系统对船舶的反力;E 为桩的弹性模量;I 为桩的惯性矩;DF为由于横向联结构件作用的影响，撞击荷载的横向分布系数;L 为桩的悬臂长度;K 为缓冲设施的弹性常数。桩的截面弯矩和应力分别为:M=Fa/L(18)=M(DF)/W(19)(2)结构的刚度纵向刚度:Dy=(EIy)p/x(20)横向刚度:Dx=(EIx)w/y(21)其中:p 和 w 分别表示桩和横系梁。以桩长 L=6 m 为例，横系梁截面尺寸与桩截面尺寸一致;缓冲设施的弹性系数 K=0。对表 3 所示四种情况进行了相关刚度与支撑力的计算，计算结果见表 3。由表可知，增加横梁数量防撞桩系统的支撑力明显提高，单排桩框架结构的横向联结可明显提高结构的稳定性，对于实际工程应合理设计。表 3结构刚度比较Table 3The comparison of structure stiffness条件桩间距x/m横梁间距x/m纵向刚度Dy/(kN m)横向刚度Dx/(kN m)支撑力/kN情况0218680756823情况02026806801354情况0206680227954情况0302453468012354结论本文设计制备了纤维增强复合材料防船撞管桩，对该管桩进行了受弯性能试验，对比分析了纤维缠绕角度和壁厚等关键参数对试件破坏模式以及承载性能的影响，并对其进行了内力分析，得到的主要结论如下:(1)纤维缠绕角度对管桩试件破坏模式影响显著，而壁厚的改变对破坏模式影响较小。45缠绕管桩试件的破坏模式为整体弯曲破坏，表现出良好的延性特征;卸载后试件能大幅度回弹，具有较好的变形恢复能力。75缠绕管桩试件发生跨中剪切破坏，形成明显斜向剪切裂缝，承载能力较低。因此，在防船撞设计时，应根据工况需要确定纤维缠绕角度，避免发生管桩剪切破坏。(2)基于防撞管桩在船撞工况下的受力模型，考虑桩顶自由和桩顶约束两种边界条件，得出了悬臂桩和支承桩两种管桩在水平撞击力作用下的内力分布，计算出单桩水平承载力和弹性刚度，给出了单根防撞管桩的设计流程，提出了管桩排架结构的设计建议。(下转第 94 页)342023 年第 3 期复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析 4TOLSON S，ZABAAS N Finite element analysis of progressive fail-ure in laminated composite plates J Computer and Structure，1991，38(3):361376 5EDDY Y S，EDDY J N 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