重庆公交车坠江引工程界关注，UHPC有望显著提升桥梁抗冲击防护技术
本文摘要（由AI生成）：
本文主要介绍了桥梁及防护结构的抗冲击性能问题，以及超高性能混凝土（UHPC）在桥梁抗撞防护方面的应用。文章指出，桥梁及防护结构的防撞问题比想象中更为突出，传统普通混凝土的抗冲击性能不足，而UHPC具有优异的力学性能、抗冲击及耗能能力。湖南大学UHPC高性能桥梁结构研究团队针对桥梁抗撞防护问题，开展了普通混凝土和UHPC构件的抗冲击试验及数值分析工作，探讨了基于UHPC的桥梁抗撞防护结构，为设计及运用高性能耐撞结构提供基础。
近日重庆万州长江二桥发生了令人扼腕痛惜的公交车坠江事故，引起了社会的广泛关注和激烈讨论。在工程界，桥梁及防护结构的抗冲击性能也再次引起广泛的关注和思考。
事实上，桥梁及防护结构的防撞问题比我们想象的更为突出。根据美国（1951-2000年）桥梁失效统计数据，17%的桥梁因碰撞而发生破坏，位列所有致毁因素中的第二位（如图1所示）。在国内，仅2017年1月至8月某省内就发生了三次桥梁因碰撞而严重破坏的恶性事故。
图1 1951年至2000年美国桥梁失效事故原因及比例
（图为笔者根据Harik、Wardhana等的数据汇总得到）
这些恶性事故发生的根本原因之一： 传统普通混凝土的抗冲击性能不足。而超高性能混凝土具有优异的力学性能、抗冲击及耗能能力。如图2所示，相比普通混凝土，UHPC不仅具有超高的抗拉强度，而且具有优异的拉伸应变硬化能力，从而使其抗冲击性能、耗能能力等得以显著提升。
鉴于此，湖南大学UHPC高性能桥梁结构研究团队针对桥梁抗撞防护问题，较为广泛地开展了普通混凝土和UHPC构件的抗冲击试验及数值分析工作，探讨了基于UHPC的桥梁抗撞防护结构，为设计及运用高性能耐撞结构提供基础。
图2 不同混凝土的受拉性能
一、传统钢筋混凝土墩柱与UHPC墩柱冲击对比试验
以易被撞构件桥梁墩柱为对象，采用图3所示试验装置，开展了受压钢筋混凝土墩柱及配筋UHPC墩柱落锤冲击对比试验。试验中测量了冲击力、墩柱位移，并采用高速摄像机记录了冲击过程中墩柱裂缝发生、发展直至破坏的全过程。试验结果表明：受压UHPC墩柱抗冲击能力显著优于普通混凝土墩柱。如视频1所示，在相同冲击能量（13.36kJ）及配筋率情况下，普通混凝土墩柱发生了完全破坏，而UHPC墩柱的峰值位移仅为35mm。
图3 受压墩柱落锤冲击试验装置
视频1：钢筋混凝土墩柱与UHPC墩柱冲击对比试验（略）
二、钢筋混凝土墩柱与UHPC部分增强墩柱冲击对比试验
“好钢用在刀刃上”，考虑性能与经济的平衡，研究了UHPC部分增强结构，通过在关键区域用UHPC替代普通混凝土，从而高效经济地提高结构抗冲击性能。如视频2所示，体积上仅20%的区域用UHPC替代增强后，在相同冲击能量（8.28kJ）作用下，UHPC增强构件位移峰值相比普通混凝土墩柱降低了50%，残余位移降低了84%，损伤程度明显降低。
视频2：钢筋混凝土柱与UHPC部分增强柱冲击对比试验（略）
三、钢筋混凝土墩柱及UHPC增强墩柱车撞性能对比
采用试验验证后的数值模型开展了钢筋混凝土墩柱及UHPC 套管增强墩柱抗车撞性能（见图4）对比研究，结果如图5和视频3所示。由此可知，两类墩柱在相同车撞条件下得到的损伤效果差异巨大：
①在撞击速度为20km/h时，混凝土墩柱底部已经开始出现损伤，而UHPFRC套筒增强墩柱在撞击速度小于60km/h时并没有表现出明显损伤；
②当速度达到70km/h时，混凝土墩柱底部已经发生了严重的塑形损伤，被撞区域及下部产生了明显的偏移，无法承载，而UHPFRC套筒增强墩柱则依旧损伤很小，该撞击能量小于该墩柱所表现的抗冲击性能，最后UHPFRC套筒增强墩柱在撞击速度为100km/h时，墩柱底部产生塑性铰。
由此可知，相比传统钢筋混凝土墩柱，UHPFRC套筒增强墩柱具有优良的抗冲击性能。
图4 钢筋混凝土墩柱及UHPC套筒增强墩柱
图5 钢筋混凝土墩柱与UHPC套筒增强桥墩的损伤对比
视频3：传统钢筋混凝土墩柱与UHPC增强墩柱抗车撞性能对比（略）
结束语
频发的桥梁碰撞事故表明，如何做好桥梁抗撞防护是我们当前需解决的关键议题之一。AASHTO规范指出：相比桥梁抗震及抗风，桥梁抗撞问题的研究及认识仍处于非常初级的阶段，许多方面有待深入研究。
UHPC作为新兴最有活力的土木材料之一，上述研究表明其具有优异的抗撞防护性能，有望全面提升桥梁抗冲击防护技术，在今后的桥梁抗撞防护中值得期待和拥有。
感谢所有为此项研究付出辛勤工作的同事、博士和硕士研究生（刘斌，郭伟，申东杰，徐鑫，张志勇，张泽文，杨涛，孙洋等）
参考文献
[1]. Fan, W., Xu, X., Zhang, Z., and Shao, X.D. (2018). "Performance and sensitivity analysis of UHPFRC-strengthened bridge columns subjected to vehicle collisions." Eng. Struct., 173, 251-268.
[2]. Liu, B., Fan, W., Guo, W. et al. (2017). "Experimental investigation and improved FE modeling of axially-loaded circular RC columns under lateral impact loading." Eng. Struct., 152, 619-642.
[3]. Guo, W., Fan, W., Shao, X. D., Shen, D. J., and Chen, B. S. (2018). "Constitutive model of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete for low-velocity impact simulations." Composite Structures, 185, 307-326.
[4].Fan, W., Guo, W., Sun, Y., Chen, B., and Shao, X.D. (2018). "Experimental and numerical investigations of a novel steel-UHPFRC composite fender for bridge protection in vessel collisions." Ocean Eng., 165, 1-21.
作者：樊伟，湖南大学副教授，风工程与桥梁工程湖南省重点实验室副主任。作者致谢所有为此项研究付出辛勤工作的同事、博士和硕士研究生（刘斌，郭伟，申东杰，徐鑫，张志勇，张泽文，杨涛，孙洋等。
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