2023年度進展13：橋梁抗撞性能及防撞設計

隨著《交通強國建設綱要》、《內河航運發展綱要》、《國家綜合立體交通網規劃綱要》等文件的相繼發布，我國正以前所未有的力度推進公路、鐵路和航運等交通基礎設施的建設與發展。這些政策不僅旨在構建一個安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化綜合交通運輸體系，還強調了在保障交通運輸能力的同時，必須高度重視交通設施的安全性問題，特別是橋梁作為關鍵交通節點的安全問題。橋梁撞擊問題，包括船撞橋、車撞橋、落石沖擊橋梁等，成為近年來國內外學者廣泛關注的熱點，其研究對于保障國家交通安全、促進交通強國建設具有重要意義。

橋梁撞擊問題的研究橫跨了結構工程、材料科學與沖擊動力學等多個學術領域，其復雜性要求研究者跨越學科界限，直面一系列技術挑戰。“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。2023年，全球學者在橋梁防撞與抗撞領域的不斷探索，不僅促進了跨學科融合與協作，還加速了技術知識的交流與革新，為相關領域的理論與實踐研究增添了新的維度。本團隊成員秉持著開放共享的精神，精心梳理并匯總了過去一年國內外學者在橋梁耐撞性能提升及防護措施設計方面的最新研究成果，撰寫成文，期許以此作為引玉之磚，激發同行間的更多思考與討論，攜手推進橋梁防撞抗撞理論的深化拓展與實際應用的開展。本文結構為，第一部分：橋梁撞擊典型案例匯總；第二部分：船橋碰撞研究；第三部分：車撞橋梁研究；第四部分：落石沖擊橋梁研究；第五部分：低速沖擊試驗研究，并在最后對未來研究方向進行了展望。面對2023年度豐富的文獻資料，受限于個人能力與時間，梳理工作難免掛一漏萬，敬請讀者諸君包涵并賜教。

參考文獻主要來源期刊包括《International Journal of Impact Engineering》、《Engineering Structures》、《Thin-Walled Structures》、《Engineering Geology》、《Construction and Building Materials》、《Geotextiles and Geomembranes》、《Journal of Bridge Engineering》、《Journal of Constructional Steel Research》、《Ocean Engineering》、《Applied Ocean Research》、《Structures》、《Structure and Infrastructure Engineering》、《Case Studies in Construction Materials》、《Engineering Failure Analysis》、《International Journal of Structural Stability and Dynamics》、《Engineering Applications of Artificial Intelligence》、《Ships and Offshore Structures》、《Applied Sciences》、《Nonlinear Engineering》、《Reviews on Advanced Materials Science》、《Developments in the Built Environment》、《Journal of Performance of Constructed Facilities》、《Advances in Mechanical Engineering》、《KSCE Journal of Civil Engineering》、《Bridge Structures》、《Acta Geotechnica》、《Journal of Mountain Science》、《Geosciences》、《Bulletin of Engineering Geology and The Environment》、《Transactions in GIS》、《Archives of Civil and Mechanical Engineering》、《工程力學》、《鐵道學報》、《振動與沖擊》、《西南交通大學學報》、《振動工程學報》、《橋梁建設》、《船舶力學》、《哈爾濱工業大學學報》、《鐵道標準設計》等。

船撞橋事故在全球范圍內時有發生，給橋梁結構和航行安全帶來了嚴重威脅。例如，2024年3月26 日，美國馬里蘭州巴爾的摩港的弗朗西斯·斯科特·基（Francis Scott Key）橋（以下簡稱基橋），被一艘名為DALI號的集裝箱貨輪撞垮（圖1.1）。2024年2月22日，一艘貨船因操作失誤撞擊到瀝心沙大橋（帶掛孔的混凝土T形剛構橋）的一個邊墩，導致橋墩傾斜、主橋一側端部25m長的掛孔坍塌、5人遇難（圖1.2）。這兩起重大船撞橋梁事件，不僅中斷了交通，還引發了社會對于橋梁安全性的廣泛關注。而早在1980年，美國佛州的陽光高架橋就被一艘兩萬噸貨船撞斷，最終付出了35人喪生、拆除兩座舊橋并另建一座新橋的巨大代價。2007年廣東九江大橋船撞事故同樣導致橋梁垮塌，造成8人身亡1人失蹤，社會影響惡劣。隨著內河航運量的增長和船舶大型化的發展趨勢，船撞橋的風險將進一步增加。

（a）船舶撞擊主墩導致橋梁垮塌

（b）立面布置及垮塌部分（紅色）示意

圖1.1基橋船撞事故^[1]

圖1.2 廣州南沙瀝心沙大橋船撞事故

此外，隨著公路交通的快速發展和汽車保有量的不斷增加，車撞橋事故也時有發生。這類事故雖然通常不會造成橋梁倒塌等嚴重后果，但會對橋梁結構造成損傷，影響橋梁的耐久性和使用壽命。同時，車撞橋事故還可能引發交通擁堵和安全隱患。車輛撞擊橋梁事件按撞擊位置的不同，分為汽車撞擊橋墩、上部梁體、護欄、拉索等。如，2024年7月2日，云南昆明西三環，一輛的大貨車撞上了人行天橋的橋墩，車頭嚴重變形，駕駛員受傷被困，如圖1.3所示。

圖1.3 車撞橋墩

 2024年11月12號凌晨，廣州一貨車車廂被天橋卡住，車頭朝天翹起，車輛與梁底均受損，如圖1.4所示。

圖1.4 超高車輛撞擊梁底

2023年08月29日，盧浦大橋浦西往浦東方向下引橋路段發生一起車輛撞擊混凝土護欄的車禍。事故造成混凝土隔離護欄移位，并殃及對向車道的車輛，總共3車存在不同程度受損，所幸未造成人員傷亡（圖1.5）。

圖1.5 受撞擊的混凝土護欄

而在山區等地質條件復雜的地區，落石沖擊橋梁的問題也不容忽視。強降雨、地震等自然災害可能引發山體滑坡、泥石流等地質災害，導致落石沖擊橋梁。這類事故往往具有突發性和不可預測性，對橋梁結構安全構成了嚴重威脅。

2024年3月8日上午12時許，達州機場大道楊家溝大橋右幅4號橋墩右上方山體發生巖石崩塌，導致橋墩被破壞，如圖1.6所示。

圖1.6 山體崩塌撞擊橋墩

以上橋梁撞擊典型案例不僅揭示了撞擊事件的突發性和破壞性，也凸顯了加強橋梁防撞設計與研究的重要性。接下來，本文將圍繞船橋碰撞、車撞橋梁以及落石沖擊橋梁等這些關鍵領域的研究現狀，展開更為詳盡的探討。通過深入分析這些領域的最新研究成果和技術進展，我們旨在為解決橋梁防撞問題提供更為全面和深入的視角，以期為未來橋梁的安全設計和防護提供有力支持。

根據世界水運基礎設施協會（PIANC）2018年的一份報告，從1960 年到 2015年，全球發生了35 起（其中18起事故發生在美國）因船舶撞擊橋梁而導致的重大安全事故，共有 342 人喪生。接下來，發生了2016年德國的撞橋事故（死亡2人）、2019年巴西的撞橋事故（死亡3人）。2024年美國基橋和中國瀝心沙大橋發生重大船撞事故。重大安全事故數上升到39 起，死亡數增加到 358人^[1]。這也凸顯了對船舶-橋梁碰撞研究的迫切需求。

通航水域的橋梁安全性經常受到過往船舶撞擊的威脅。隨著水路交通的快速發展，船橋碰撞事故日益增多，對橋梁安全構成嚴重威脅。船橋碰撞是一個復雜的非線性動態響應過程，研究方法包括試驗研究法、有限元法和簡化分析法。

Yao等人^[2]通過實驗和數值模擬，進行了橋墩與駁船碰撞時的響應研究。在水槽中進行球體-圓柱體碰撞實驗，模擬船只與橋墩的碰撞。使用LS-DYNA軟件中的FSI方法模擬碰撞過程，考慮了船只的質量、速度、碰撞角度和位置等因素。研究發現，實驗與數值模擬的結果在峰值沖擊力方面一致性良好，相對誤差在10%以內，驗證了FSI方法的有效性。船只的質量、速度對碰撞動態響應有顯著影響，而碰撞角度和位置的影響較小。隨著船只質量和速度的增加，沖擊力、船頭破碎深度和橋墩位移的峰值均顯著增加。

陳天黎等人^[3]通過縮比模型試驗和數值仿真研究雙柱式橋梁在駁船撞擊下的動力行為。研究發現，撞擊速度對駁船船艏的永久壓潰深度影響顯著。撞擊角度對撞擊持續時間和橋梁動力行為影響較大，增加了橋梁整體倒塌風險。簡化模型使用纖維梁單元表征樁的可靠性得到了驗證。

寧立等人^[4]研究了廣州番禺北斗大橋因船舶撞擊導致的橋墩受損情況。研究者采用了兩種分析方法：基于力加載的彈性分析方法用于初步分析撞擊力作用下橋墩的受力狀態；而基于位移加載的彈塑性分析方法則通過設置塑性鉸來評估損傷橋墩的現狀。船撞力作用下受撞墩柱的破壞形態為典型的剪切破壞且箍筋斷裂。

黃僑等人^[5]使用大質量水平沖擊試驗裝置對500 DWT無球鼻艏的縮尺船艏模型進行多次連續累積碰撞試驗。采用大型有限元分析軟件LS-DYNA建立精細化縮尺船艏模型，并通過重啟動功能對多次連續累積碰撞開展仿真分析，與試驗結果進行比較。研究發現，隨著撞擊次數的累加，縮尺船艏模型的單次撞擊力峰值和累積撞深均逐步加大，而每次撞深增量和碰撞時間均逐步減小。船艏模型結構碰撞損傷深度與吸收的能量有基本確定的對應關系。小質量碰撞的碰撞力-撞深曲線基本上屬于大質量碰撞曲線的一部分。

鄭植等人^[6]參考某3000噸散貨船型線數據和結構形式，建立了水-船-墩精細化流固耦合模型。流體域采用ALE描述，船-橋結構采用Lagrange描述，通過罰函數算法實現耦合。通過數值造波結果與解析解對比驗證模型可靠性。流體對碰撞力影響較小，附加質量模型會略微夸大橋墩位移，但差別較小。兩種模型的船舶撞損差別較大，不考慮流體時將夸大船舶撞損程度，最高可達21%。流體對船舶航跡與姿態會產生顯著影響，流固耦合模型中船舶明顯滯后于附加質量模型。該研究主要關注正撞工況下船撞力及橋梁結構的動力響應，對船舶損傷、碰撞軌跡與姿態的關注較少。

劉湘暉^[7]利用有限元軟件ANSYS和數學分析軟件Matlab，基于響應面法，編制了計算船撞作用下橋梁可靠度的程序。分析了船撞力模型以及船撞角度、船撞速度的概率模型。以沿海某連續鋼構橋為工程實例，計算了該橋在不同水位和噸位下的可靠度指標和失效概率，并分析了橋梁的時變可靠度。

趙波涌等人^[8]總結了現有船舶撞擊力確定的方法，并采用各類方法計算了該橋的船舶撞擊力，推薦采用非線性有限元法。建立了全橋有限元模型，評估了船舶撞擊工況下橋墩及拱肋的抗彎、抗剪能力。對上承式肋形連拱橋抗船撞性能進行了分析，結果表明：較大截面尺寸的實體式橋墩具有優越的抗撞性能，但橫流向船舶撞擊對橋梁結構安全的影響應獲得更大的關注。拱肋是肋形拱橋的薄弱構件，需采取措施避免船舶撞擊。

Cao等人^[9]利用有限元方法建立精確的三柱橋墩模型，模擬駁船與橋墩的碰撞過程；提出內部能量斜率（IEPS）作為新的性能指標，用于評估受撞橋墩的損傷狀態；采用支持向量機（SVM）和蒙特卡洛模擬（MCS）進行結構可靠性分析，預測結構失效概率；進而設計了兩種保護套—分別采用合金蜂窩（AH）和泡沫鋁（AF）的核心夾層，通過比較IEPS值來評估其提高結構抗沖擊能力的效用。研究結果還證明，采用UHPC材料、增加箍筋間距和提高配筋率能有效提高橋墩的抗撞性能。但橋梁新型防船撞措施的有效性還需要通過實驗室測試來進一步驗證。

Zhao等人^[10]基于AIS數據分析了航行中船舶的動態，獲取了船只位置、速度和偏航角等參數，分析了船舶交通流，并在實際船舶交通流規范模型中修改了幾何概率。研究還采用了有限元軟件模擬船只與橋梁的整個碰撞過程，以分析橋梁動力響應特點。

目前廣泛使用的AASHTO指南規范等經驗公式，采用等效靜力方法預測沖擊力，但靜態分析無法考慮沖擊事件中涉及的重要動態效應。有限元方法（FEM）雖能捕捉沖擊事件的主要特征，但在計算時間和資源上成本較高。Wang等人^[11]開發了一個用于RC墩柱在駁船碰撞下的非線性動態分析的數學框架。基于該框架，推導出一系列經驗公式，用于計算涵蓋駁船行駛信息、駁船船艏剛度和受沖擊的RC墩柱的幾何尺寸等多個重要變量的模型參數。通過參數研究，全面測試了所提出的數學框架的預測精度。駁船撞擊橋墩的仿真模型如圖2.1所示，其采用的耦合多自由度理論分析模型如圖2.2所示。 

圖2.1 駁船撞擊橋墩模型        圖2.2 多自由度理論模型

研究發現，所提出的耦合多自由度理論分析模型能夠快速可靠地預測不同幾何尺寸的RC墩柱在船舶碰撞下的沖擊力和動態響應量，其中船舶船艏剛度的影響也得到了很好的考慮。同時，研究還發現，在駁船船艏剛度相對較低且受沖擊的RC墩柱結構剛度相對較大的工況下，上述模型在墩柱最大位移方面預測精度相對較低，這是由于所采用的纖維梁模型忽略了梁截面的剪切變形所致。

Fan等人^[12]受船-船碰撞分析的啟發，提出了一種考慮水動力效應的輪船與橋梁結構碰撞響應預測簡化分析方法，其簡化分析方法計算模型如圖2.3所示。作者發現，在考慮船橋碰撞的水動力效應方面，所提出的簡化方法優于恒定附加質量法(CAM)方法，而且與高分辨率流固耦合(FSI)模型相比，所需的計算成本也大大降低。從計算效率和精度的角度來看，與FSI模擬和CAM分析相比，作者所提出的方法更適合工程實踐中的船橋碰撞分析和設計。

圖2.3 簡化考慮船橋碰撞流體力學的程序

 浮橋因其結構靈活性和復雜的載荷環境，在設計和建造時面臨挑戰，尤其是在可航行的峽灣上。這類結構可能遭受自然或人為災害的威脅，如颶風、地震、海嘯和船只碰撞，這些災害可能導致結構響應過度和損壞。Wang等人[13]探討了浮橋在船撞、風和波浪荷載作用下的結構動態響應，浮橋模型如圖2.4所示。

圖2.4 浮橋的有限元模型

作者提出了一個綜合考慮風、波浪和船只碰撞載荷的多重災害評估框架。結果表明，就橋面位移、圍繞橋梁縱軸的旋轉、加速度、剪切力和橋面彎矩而言，多重災害條件下的橋梁響應比單一災害條件下的響應要大得多。改變船舶質量和速度還會影響船舶與浮橋之間的相互作用，從而影響局部結構變形和能量吸收。

船墩碰撞事件的增多對沿海橋梁基礎設施構成了巨大威脅。為了防止這類事故，各種規范引入了幾種沖擊力模型，但工程師們仍在尋求更準確的預測。Xu等人^[14]結合有限元（FE）模型、機器學習（ML）算法和快速傅里葉變換（FFT），提出了一個預測駁船-墩柱碰撞沖擊力時程曲線的沖擊力預測框架。與計算開銷巨大的非線性FE仿真相比，作者提出的沖擊力預測框架能夠高效準確預測沖擊力的持續時間和頻率序列，并利用該模型分析了沖擊力對駁船重量和速度的敏感性。船橋撞擊有限元模型如圖2.5所示，駁船沖擊力預測流程如圖2.6所示。

圖2.5 駁船撞擊雙柱墩的有限元模型

圖2.6 駁船沖擊力預測流程

敏感性分析結果表明，駁船重量對沖擊力時程曲線的影響比速度更為關鍵；駁船速度和重量的增加會延長沖擊持續時間并放大響應峰值，且響應主要集中在低頻帶內。該研究主要依賴數值模擬，缺乏與實驗結果的對比。

盡管橋梁對沿海交通和經濟發展有積極影響，但它們也對水路運輸造成一定限制，并給通航船舶和橋梁帶來安全風險。

Guo等人^[15]提出了一種新的沖擊易損性分析（IFA）方法，用于評估橋梁在雙重災害下（駁船碰撞和局部沖刷）的失效概率。通過擺錘沖擊實驗研究了縮放的橋墩-基礎模型，以驗證了材料的非線性特性，進而建立全尺寸三跨橋的高保真有限元模型進行撞擊分析。研究發現，沖刷對輕微和中等損傷概率的影響較小，而在高沖擊速度下，沖刷顯著增加了重大損傷和倒塌的概率。此外，駁船的噸位對橋梁失效的閾值速度有顯著影響。

Lu等人^[16]提出一種基于動態荷載試驗數據和高斯過程回歸模型的橋梁沖擊后性能快速評估方法，以替代成本高、耗時且影響交通的靜態荷載試驗。利用高斯過程回歸模型對有限元模型進行更新，提高了模型預測的準確性。作者通過實際案例（萬江橋船只碰撞）驗證所提方法的可行性和精確度。基于動力測試結果與高斯回歸的橋梁性能快速評估流程如圖2.7所示。

圖2.7 基于動力測試與高斯回歸的橋梁性能快速評估

Liu等人^[17]分析了環境、船舶和橋梁子系統之間的相互作用，并提出了一種基于協同理論的船舶-橋梁碰撞風險分析方法。葉嘉豪^[18] 針對高等級航道通航橋梁面臨的船舶撞擊問題，分析了橋梁結構、通航條件、工作環境和航道等級等因素，探討了防船舶撞擊的管理措施。

隨著經濟發展，內河船舶數量和噸位增加，船橋碰撞事故頻發。現有的橋防撞措施包括被動防撞裝置和智能預警系統，但缺乏對失控船舶的有效干預手段。Yu等人^[19]提出了一種基于水射流干擾流場的船舶偏轉防撞方法，通過改變局部橋區水域的水流動條件，形成“干擾區”，使偏航船舶的偏航力矩改變，從而引導船舶遠離橋墩，實現主動防撞。通過1:100的廣義模型試驗和二維數值模擬，研究了不同噴嘴壓力和不同船墩距離對停滯船舶軌跡和偏航角度的影響。數值模擬結果與模型試驗結果吻合較好。但該主動防撞方法的有效性和普適性還需現場試驗進一步驗證。

Yan等人^[20]提出并分析一種創新的纖維增強橡膠復合緩沖系統，通過縮比模型進行沖擊試驗，獲取沖擊力-時間歷史曲線，其實驗裝置如圖2.8所示^[21]。對纖維增強橡膠復合緩沖系統的變形模式進行分析。對實際尺寸的斜拉橋的主橋墩上裝備緩沖系統，進行船橋碰撞模擬。研究表明，纖維增強橡膠復合緩沖系統在不同能量沖擊下均表現出色，如圖2.9所示，在沖擊速度為5.26m/s時，沖擊力峰值減小幅度達到37.04%。

圖2.8 水平沖擊試驗的布置圖

圖2.9 撞擊速度為5.26m/s時沖擊力對比圖

Yan等人^[21]提出了一種新型的鋼箱-軟體組合結構作為防撞設施，該設施由軟體和鋼箱通過螺栓連接而成。軟體是柔性的，主要由保護層、顆粒狀材料和軟體腔組成，是承受較大變形的主要部分。鋼箱由多個加強筋結構組成，可承受較大的沖擊。該設施具有良好的耐腐蝕性、節段的模塊化制造、在水中的自浮力和低維護要求等優點。作者通過水平沖擊試驗獲取了三個縮小比例模型的沖擊力時間歷程曲線，分析了鋼箱腹板間距和防撞設施的存在對船只撞擊力降低率的影響；利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件生成了防撞設施的非線性數值模型，并與實驗結果進行對比驗證。研究結果表明，該防撞設施能顯著降低船只撞擊力，與直接撞擊鋼板相比，最大峰值力的降低率可達31.07%。防撞設施的變形能量吸收占總能量的70%以上，表明該設施能有效吸收大部分能量并保護船頭。

Wang等人^[22]開發了一種柔性引導式防撞裝置（Flexible Guided Anti-Collision Device, FGAD），如圖2.10所示，以減少船只與橋墩的碰撞力，保護船只和橋梁。作者使用有限元程序LS-DYNA建立船只、FGAD和橋墩的數值模型，模擬船橋碰撞過程；并在獨立防撞墩上安裝FGAD，通過壓力傳感器和加速度傳感器收集實際船只碰撞現場測試數據。

圖2.10 FGAD示意圖

圖2.11 有無FGAD裝置沖擊力對比圖

實船撞擊實驗結果表明，使用FGAD裝置后撞擊力峰值從4.1MN下降到了1.8MN，下降幅度達到了56%，沖擊力作用時長延長了84%，如圖2.11所示。該裝置在寧波象山港大橋的成功應用，證明了其出色的防撞性能。

Zhen等人^[23]提出了一種創新的蝶形連接結構（圖2.12），用于橋墩復合防護系統，以提高連接強度并確保整體防護性能。作者通過準靜態拉伸試驗研究了所提出的蝶形連接的拉伸強度和破壞機制；建立了連接的數值模型，通過參數分析使用數值結果確定了連接的最優結構參數。此外作者還對一艘纜索支撐橋在船舶撞擊下的防護性能進行了數值分析，全面評估了連接的整體防護性能和動態可靠性。

圖2.12 蝶型連接件

田懷念^[24]提出了一種固定式波折鋼板-鋼覆復合防撞裝置，該裝置主要由鋼面板、波折鋼板、聚氨酯芯材、GFRP防護層和方形橡膠墊塊構成，如圖2.13所示。作者使用有限元軟件LS-DYNA建立船-復合防撞裝置-橋的碰撞模型；對設置和未設置防撞裝置的不同工況（水位、撞擊角度）進行沖擊響應分析。結果表明，正撞時撞擊力峰值最大降幅為18.17%，斜撞時撞擊力峰值降幅為48.66%。該復合防撞裝置可進行模塊化生產，后續運營、維護技術方便，維修費用較低在實際工程項目中具有廣闊的應用前景。

圖2.13 復合防撞裝置模型

聶利芳等人^[25]分析紅蓮特大橋橋墩的碰撞概率，設防船撞力，并提出防撞系統設計方案。作者根據橋墩特點和被撞概率，采用了不同類型的自浮式鋼覆復合材料防撞設施，有效解決船撞問題。

陳俊濱^[26]分析了橋梁防撞設計原則和防撞設施特性，并根據三江口特大橋的具體特點，選擇了浮動式柔性鋼套箱防撞設施。作者采用瞬態動力仿真方法對主橋橋墩進行撞擊裸墩和撞擊防撞裝置的數值模擬。通過有限元動態仿真分析發現，3000噸級船舶撞擊時的最大撞擊力為20MN，與美國AASHTO規范計算結果相近。防撞裝置能有效削減撞擊力，削減范圍在40%~50%，峰值削減為48.1%，顯著減小船頭破壞幅度。

周雨立等人^[27]針對某長江公路大橋，評估其在中高洪水位期間的自身抗撞能力，并設計有效的防船撞設施，利用LS-DYNA軟件建立船-橋碰撞模型，進行不同工況的有限元模擬分析。結果發現，防撞設施通過受力變形吸收撞擊力，減少能量轉換，提高船舶和橋梁安全性。對于不滿足防撞要求的橋墩，建議增加主動預警系統或其他警示措施。

鄭植等人^[28]提出了一種可防護中小型船舶的柔性護舷，如圖2.14所示。作者設計并制作了三種不同構造的足尺試件進行準靜態壓縮試驗，以確定最優構造形式；并通過足尺沖擊試驗和數值模擬分析，評估了最優構造護舷的防護性能。

圖2.14 不同的護舷截面圖

結果表明，添加耗能芯材的試件3的構造形式展現出最優的抗沖擊性能，具有較高的回彈率（85%以上）；護舷能顯著折減撞擊力（97%），并在撞擊后完全恢復變形，以彈性耗能的方式耗散能量。駁船撞擊試驗中，護舷吸收了63%的碰撞能量，并大幅減輕了船舶損傷。

孫銳等人^[29]利用非線性有限元軟件ABAQUS建立了全船、圓曲面浮箱和橋墩的簡化模型，研究了圓曲面鋼-PU（Polyurethane）夾層板結構（SPS）防護浮箱在船舶沖擊下的防護性能，探討浮箱橫截面雙軸比、偏心距和撞擊角等因素對防護性能的影響。結果表明，雙軸比為1.67的浮箱防護效果最好，能吸收約76%的船舶動能，有效降低橋墩所受撞擊力。偏心距和撞擊角的增加也有助于提高浮箱的防護性能，使橋墩更安全。

曹海波等人^[30]研究折紙型蜂窩鋁板的結構特性和制作工藝，提供一種既實用又經濟的橋梁防撞設施，以提高橋梁結構的安全可靠性。作者首先介紹了折紙型蜂窩鋁板的結構特性和制作工藝，包括釬焊工藝的詳細說明；再利用ABAQUS和MIDAS等有限元分析軟件，對船橋碰撞能力進行動力學計算，評估橋梁防撞結構的動力響應和耐撞性能。

另外李亞東等人^[1]總結到，船撞風險的管控措施，需要多管齊下，綜合發力。主要可從防撞技術、航道管理、人員教育和法規約束等方面開展風險管控。防撞技術可劃分防撞預警系統和物理防撞設施兩類（圖2.15）。防撞預警系統可做到主動提醒避撞，以降低船舶撞擊橋梁的概率；物理防撞設施只是被動抵抗撞擊，其目的是減輕撞擊后果的嚴重性。

圖2.15 船撞風險管控

城市化步伐的加快促使汽車數量與交通基礎設施迅速擴張，這使得城市高架橋的安全面臨一大挑戰：車輛與橋墩的頻繁碰撞。車輛與橋梁的意外接觸成為一種頻發事故，往往對橋梁構造造成嚴重破壞，并引發交通安全問題。近年來，科研工作者對車輛撞擊橋梁的現象展開了深入研究，旨在探究碰撞過程中的動力學機制，評判橋梁結構的反應能力及承重極限，并設計相應的防撞保護措施。根據碰撞點的差異，車輛撞擊橋梁的情況可被細分為撞擊橋墩、梁底、防護欄、吊索等多種類型，以下是對這一領域研究成果的綜合概述。

城市或高速公路橋梁因車輛碰撞而失效是一個重要問題，以往的研究多集中于橋梁在車輛沖擊下的沖擊力、破壞模式和加固方法，但很少有研究考慮土壤-結構相互作用（SSI）效應下橋梁的損壞概率。郭懸等人^[31]通過驗證的高保真有限元（FE）方法，計算考慮SSI效應的三跨鋼-混凝土橋梁在車輛碰撞下的損壞概率，并進行參數研究以調查橋墩直徑對破壞概率的影響。研究發現，土壤-結構相互作用（SSI）對橋梁的動態性能有顯著影響。考慮SSI效應時，隨著車輛沖擊速度超過某一閾值，每個損傷狀態的損壞概率顯著增加。橋墩的邊界條件、車輛噸位和橋墩直徑對導致損傷狀態的沖擊速度閾值有顯著影響。

在車輛碰撞荷載作用下，橋梁下部結構性能的研究大多集中在單柱橋墩上。Li等人^[32]通過實驗和LS-DYNA數值模擬研究了雙柱RC橋墩（DCBP）在車輛連續撞擊下的抗側向沖擊性能。作者對三個不同箍筋配筋率的1/5縮比DCBP試件進行連續側向撞擊測試，縮比模型與沖擊裝置如圖3.1所示；建立有限元（FE）模型，驗證實驗結果，并進行輕、中、重型卡車撞擊原型簡支雙柱RC橋的精細數值模擬。結果發現，受撞擊橋墩在撞擊位置發生剪切破壞，增加箍筋配筋率顯著降低了破壞程度。更高的箍筋配筋率有效減少了受撞擊橋墩的剛度退化和側向變形，使其能承受更高的第二次撞擊力。隨著箍筋配筋率的增加，撞擊橋墩的變形形態從局部變形變為整體變形，而相鄰橋墩則無此變化。增加箍筋配筋率可以提高雙柱RC橋墩在車輛撞擊下的動力抗剪能力和抗倒塌性能，尤其在重型卡車撞擊下。但是該研究主要集中在箍筋配筋率對撞擊響應的影響，未涉及其他可能影響撞擊性能的因素，如橋墩的幾何形狀、材料特性等，有待后續進一步研究。

圖3.1 縮比模型與沖擊裝置

陳林等人^[33]提出了一種通用的簡化車輛模型來模擬卡車與橋墩的碰撞，并基于LS-DYNA的高保真有限元（FE）模擬對三種類型的卡車（輕型、中型和重型）與剛性橋墩的沖擊進行了校準。系統地檢查了影響車輛沖擊力的關鍵參數，如墩柱的截面類型和尺寸、卡車質量、沖擊速度和沖擊角度等，并將這些參數納入簡化模型。基于FE模擬結果，對簡化車輛模型的參數進行了多參數非線性擬合。研究發現，三種類型的卡車在與橋墩的沖擊過程中顯示出相似的力學特性，并且關鍵參數對峰值沖擊力的影響規律也相似。通過使用等效墩柱截面尺寸的概念和最小二乘擬合方法，開發了一個通用的簡化車輛模型，該模型能夠合理地預測峰值沖擊力。通過將簡化車輛模型與梁單元建模的彈性橋墩模型耦合，開發了耦合動態分析模型，該模型能夠快速準確地計算車輛沖擊力和橋墩響應，如剪力、彎矩和偏移等。

Zhang等人^[34]評估三種混凝土本構模型（Karagozian和Case Concrete(KCC)模型、Continuous Surface Cap(CSC)模型和Kong-Fang(KF)模型）在數值分析車輛與RC橋墩碰撞中的準確性。作者對這三種混凝土本構模型分別在單元、構件和結構上進行了比較分析。在單元層面，系統比較了這些模型的基本力學行為；在構件層面，就三種混凝土材料本構分別對簡支梁和懸臂柱進行了落錘沖擊試驗和橫向沖擊試驗的數值模擬。將受沖擊鋼筋混凝土構件的動力響應、損傷演化和破壞模式與試驗結果進行了比較；在結構層面，對真實的車輛碰撞事故進行了再現，根據不同模型模擬的沖擊橋梁損傷可以與事故現場進行比較。結果發現：與KCC和CSC模型相比，KF模型能更好地捕捉混凝土材料在單軸壓縮和拉伸作用下的靜態和動態力學性能，通過對真實車輛碰撞事故與原型RC橋的數值模擬，KF模型能夠較好地預測車輛沖擊力、動剪切需求、動彎矩、沖擊橋墩整體變形形態和破壞模式以及相鄰構件的損傷分布，而KCC和CSC模型則嚴重低估了受沖擊橋墩和相鄰構件的損傷程度。

Xu等人^[35]通過有限元模擬了車輛碰撞混凝土橋梁在不同條件下（車輛速度、重量、貨物類型、橋墩類型、直徑、混凝土強度和鋼筋比等多種參數）的沖擊動力響應，并提出了一個基于剛度并綜合考慮車輛和結構特性的新的等效靜力(ESF)預測模型。改進了現行設計規范中的方法。引入了兩種性能指標—軸向承載力損失百分比和沖擊位置處的最大相對位移與墩高之比，通過這兩個互補的性能指標來量化橋墩在碰撞后的損傷程度，為基于性能的設計和評估提供了新的解決方案。

Zhou^[36]等人探討頻域相關方法在鋼筋混凝土柱受沖擊損傷檢測領域的應用潛力，并提出一種基于車輛沖擊條件下的峰值沖擊力（PIF）公式，該公式考慮了結構損傷引起的剛度損失和沖擊力的減小。作者對四個鋼筋混凝土橋墩的縮比模型進行了落錘沖擊試驗，模擬了中型卡車撞擊橋墩的過程。通過加速度采集系統測量了構件損傷前后的頻率響應函數。結果表明，開裂過程對柱的固有頻率有重要影響。此外，受沖擊的影響，裂縫段柱的剛度值降低，模態頻率呈非單調降低；基于頻域的相關方法能有效預測結構剩余剛度值的變化和損傷程度。

由于車輛與橋墩的碰撞事故頻發，對橋墩造成的意外損傷可能威脅橋梁的安全運營，因此，定量評估車輛碰撞后橋墩的損傷狀態對于橋梁健康監測至關重要。Wang等人^[37]提出了一種基于塑性的損傷指標，該指數利用塑性變形的累積來反映受沖擊RC橋墩的損傷狀態，用于量化車輛碰撞對RC橋墩造成的損傷程度。損傷指標如式（3-1）所示，具體符號含義請見原文，此處不再贅述。

作者隨后在落錘沖擊試驗驗證了該損傷指數能夠有效地反映RC柱在沖擊作用下的損傷程度和損傷分布。最后通過將簡化的質量-彈簧模型耦合到兩個沖擊位置的受沖擊RC墩柱上，建立了多自由度卡車-墩沖擊模型，研究了汽車沖擊速度、混凝土抗壓強度和墩頂約束對受沖擊混凝土墩柱損傷程度的影響。結果表明：所提出的損傷指標能較好地預測混凝土梁柱在荷載作用下的損傷程度和分布，同時提高混凝土抗壓強度可以有效降低柱的損傷程度。并且橋墩底部的損傷對橋墩頂部的約束類型不敏感。但該論文所提出的損傷指標僅針對底部固定的RC墩柱進行了分析，未考慮土-墩相互作用影響，而且未考慮橋梁上部結構對墩柱損傷的影響。

Qusai等人^[38]研究了鋼筋混凝土橋梁橋墩在火災、車輛碰撞和爆炸沖擊波等多重災害作用下的性能和韌性。通過LS-DYNA軟件進行模擬，開發了一種結合隱式熱傳遞分析和顯式結構分析的多步驟建模技術來評估橋梁構件在多重災害下的響應。結果發現，火災、車輛碰撞和空氣沖擊波的聯合作用會導致橋梁構件嚴重損害，包括混凝土剝落、塑性鉸形成和剪切破壞；火災與碰撞和沖擊波的加載順序對橋梁性能有顯著影響，尤其是火災先于其他災害的情況影響更為嚴重；柱徑大小、火災持續時間和CFRP加固厚度等因素對橋梁性能有顯著影響。研究結論還表明，較大的柱徑和較短的火災持續時間有助于提高橋梁的韌性和修復可能性，而CFRP加固能顯著提高火災受損橋梁柱在后續碰撞和爆炸沖擊波下的承載能力和韌性。此外，提出了一個基于經驗的簡化等效靜力預測方程，該方程可以保守地表示結構的沖擊力并用于分析和設計，并提出了一個配套的評估框架（見圖3.2）。該項研究為提高橋梁結構在面對多重災害時的安全性和經濟性提供了重要的理論和技術支持。

圖3.2 橋梁多災害作用評估框架

隨著機動車數量及運載能力的增長，橋梁結構面臨著車輛撞擊的威脅。鋼管混凝土（CFST）構件因其優越的承載力和施工便利性，在橋梁墩柱中得到應用，但抗撞設計是其推廣應用的關鍵問題。楊旭等人^[39]基于LS-DYNA有限元軟件建立了56個車輛撞擊雙柱鋼管混凝土（CFST）橋墩，對典型工況下撞擊力和橋墩塑性應變發展、內力分布和能量轉換進行研究并重點分析了含鋼率、軸壓比、貨物剛度、車輛質量和速度對CFST橋墩撞擊力和側向位移分布的影響規律；并采用等效靜力法提出了一種車撞鋼管混凝土（CFST）橋墩撞擊力預測公式。結果表明：車輛撞擊下CFST橋墩鋼管與核心混凝土協同工作，鋼管是主要耗能部件。車輛撞擊下，橋墩底部出現最大負彎矩和剪力，撞擊位置處出現最大正彎矩，橋墩頂部存在彎矩和剪力。車輛質量與速度對撞擊力發展影響顯著，含鋼率與軸壓比影響較小，貨物彈性模量變化時影響較大。建議的計算公式可較好預測不同撞擊能量下車撞CFST橋墩撞擊力。如圖3.3所示，ESF25隨撞擊能量Ek的變化與文獻數據規律接近。

圖3.3 有限元計算值與公式結果對比

常規的標準強度混凝土（NSC）鋼筋混凝土橋墩在受到車輛沖擊，特別是高速重卡碰撞時，普遍表現出高易損性或低耐撞性，導致橋墩脆性剪切破壞。相比之下，超高性能混凝土（UHPC）作為一種具有強度、延性、韌性、耐久性和抗沖擊性等優異性能的先進材料，已廣泛應用于軍事和民用防護結構中，以抵抗沖擊和爆炸等強烈載荷。因此，UHPC在橋梁工程中具有良好的應用前景，但對于UHPC橋墩對公路橋梁車輛抗沖擊性能的影響研究較少。Kofi等人^[40]主要研究了車輛對橋梁下部結構和上部結構的正面碰撞和超高碰撞。對比了普通強度混凝土（HSC）和超高性能混凝土（UHPC）在撞擊下的性能。研究還評估了鋁蜂窩、鋁泡沫和EPS泡沫三種復合材料的防撞性能。結果表明，UHPC是提高橋梁抗撞擊性能的優選材料；UHPC是一種非常適合用于新建橋梁結構的主梁制作的材料，也是一種非常適合用于橋梁主梁改造的材料。鋁蜂窩和泡沫鋁在能量吸收和梁保護方面表現相似，但是鋁蜂窩重量更輕，因此如果泡沫鋁的重量是選擇過程中的主要決定因素，那么鋁蜂窩可能是比泡沫鋁更好的選擇。

相較于常規的整體現場澆筑鋼筋混凝土橋墩，預制拼裝式橋墩憑借其更快的建造速度、更高的質量控制標準以及對環境更低的影響，正逐漸贏得城市橋梁建設項目中眾多工程師的偏愛。不過，盡管具有諸多優勢，預制橋墩在結構整體性上卻略遜于現場澆筑的橋墩，特別是在應對如車輛撞擊等極端載荷條件下的安全性能，仍需進一步的科學探究與驗證。

薛淑友等人^[41]本文通過ANSYS/LS-DYNA開展卡車撞擊預制節段拼裝橋墩的數值模擬工作，探究截面形式、預應力筋以及剪力鍵布置對節段拼裝橋墩的動態響應和損傷機理的影響通過數值模擬研究了預制混凝土節段拼裝橋墩在車輛撞擊下的抗撞性能。結果表明，對于相同截面面積的節段拼裝橋墩，圓形截面比方形截面具有更好的抗撞性能；周邊布置的預應力筋相較于中心布置能提供更好的抗變形能力。圓柱形混凝土剪力鍵可提高節段拼裝柱抗變形能力和限制節段之間的滑移。未來可進一步開展更多實驗研究來驗證數值模擬的結果。

目前，對承插式橋墩的研究遠不如對整體現澆橋墩的研究深入和系統。現有的研究主要集中在對其靜力性能和抗震性能的分析上，為了獲得承插式拼裝橋墩與整體式橋墩抗碰撞性能的差異。Han等人^[42]研究了預制樁式橋墩在車輛撞擊下的動態響應，并提出了計算車輛撞擊力的方法。使用有限元（FE）模擬方法，考慮了連接結構參數、車輛條件參數和橋墩參數的影響。采用整體平均法、局部平均法、25ms移動平均峰值法和簡化脈沖法四種方法評估等效靜力（ESF）。結果表明，車輛因素對預制樁式橋墩的沖擊力-位移曲線有顯著影響。橋墩的套筒深度對重車輛撞擊的影響較大。提出了一種計算車輛撞擊預制樁式橋墩的ESF的簡化計算公式，該公式是車輛質量、速度和橋墩柱套筒深度的函數。

預制技術因其施工周期短和環境友好性而迅速發展，但現有研究對預制節段拼裝橋墩在車輛撞擊下的抗撞性能了解有限。Wu等人^[43]提出了一種新的預制節段拼裝橋墩設計，通過引入剪力鍵來提高其在車輛撞擊下的抗剪能力和整體性能。使用有限元軟件LS-DYNA建立數值模型，并通過實驗驗證其合理性。考慮了不同參數，如截面類型、預應力筋布置和剪力鍵布置對橋墩抗撞性能的影響。圖3.4展示了車輛碰撞下現澆墩和預制橋墩剪切機理。

圖3.4 車輛碰撞下橋墩剪切機理

Gholipour等人^[44]提出了一種預應力搖擺混凝土橋墩作為傳統設計的替代方案，并研究了不同沖擊速度下該結構的抗沖擊性能。作者對搖擺橋墩進行了評估，包括整體式搖擺橋墩以及分別由四節段和八節段組成的搖擺分段式橋墩，并將其與傳統的整體式橋墩進行了對比。有限元模型如圖3.5所示。基于這一研究框架，作者還進一步探討了超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）加固層厚度、長度以及加固方案變化對整體式和搖擺橋墩在車輛高速沖擊下易損性的影響。研究結果表明，搖擺橋墩在較低沖擊速度（80km/h和100km/h）下相較于傳統單體橋墩表現出更高的恢復能力，且具有較低的峰值沖擊力和內部應力。在車輛高速（140km/h）沖擊下，搖擺整體式橋墩表現出顯著的抗沖擊性能，能夠在高速沖擊下承受并保持穩定，避免倒塌。此外，隨著UHPFRC加固層厚度從80mm增加到160mm，整體式和搖擺整體式橋墩的抗沖擊性能和損傷減輕效果得到了積極改善。不同的UHPFRC加固方案對橋墩的動態響應和損傷狀態產生了顯著影響，其中在柱基礎和柱頂梁連接處使用UHPFRC加固層，顯著降低了柱基礎處的混凝土剝落損傷水平。在整個高度上使用UHPFRC覆蓋層會過度減少柱的彎曲變形能力和延性，這加大了發生剪切破壞模式的可能。

圖3.5 LS-DYNA中建立的不同構型的鋼筋混凝土搖擺式和整體橋墩有限元模型：（a）整體橋墩（Mono）；（b）搖擺整體式墩（RMono）；（c）四段搖擺式墩（RSeg4）；（d）八段搖擺式墩（RSeg8）

關于車輛與橋墩碰撞影響的研究已經頗為深入且廣泛，然而，針對超高車輛撞擊預應力混凝土橋梁這一特定情境的探討則顯得相對稀缺。尤其是，在超高車輛撞擊下，預應力混凝土箱梁若遭受嚴重損傷，其剩余承載力的評估與研究尚待更多的關注與深入探討。

Jing等人^[45]采用有限元分析方法研究了某預應力混凝土箱梁橋在超高壓車輛沖擊下的損傷機理；并基于垂直剩余承載能力提出損傷評估公式；開發了用于表征不同車輛速度和質量條件下受損PC梁的損傷等級的質量-速度（m-v）曲線。結果表明，車輛參數對PC箱梁橋的撞擊力和局部損傷有顯著影響。提出的m-v曲線可用于評估PC箱梁的損傷狀態，將梁的性能水平與相應的損傷指數關聯起來。基于能量守恒原理提出的預測最大撞擊力的理論方程，為工程應用提供了參考。

Cao等人^[46]通過高保真數值模擬，建立了在三種不同的貨車模型（軟、半剛性和剛性），有限元模型如圖3.6所示。考慮了貨車在三種不同速度（64、88和113km/h）和三種不同拖車重量（180、270和360kN）下車輛碰撞防護梁的沖擊響應；并提出了兩種預測模型，用以快速和準確預測保護梁沖擊后的性能水平。結果表明，所開發的機器學習（ML）模型和簡化的脈沖模型相輔相成，能夠快速準確地評估防護梁在超高車輛沖擊下的性能。采用神經網絡預測的結果如圖3.7所示。另外，作者提出了采用碰撞后梁的最大彎曲旋轉角度作為防護梁性能水平的劃分標準，即側向變形除以支點和加載點之間的距離L1，如圖3.8所示。

圖3.6 三種載貨狀態下車輛碰撞防護梁有限元模型

圖3.7 神經網絡測試數據集的混淆矩陣

圖3.8 防護梁受沖擊后的變形模式

郭玉旭等人^[47]提出了雙質量-并聯彈簧（DM-PS）簡化車輛模型(圖3.9)，并與全尺寸（FS）模型和簡單剛體（SR）模型進行比較，評估3種車輛模型的有效性。使用有限元方法進行數值分析，考慮了材料的損傷-塑性行為和應變率敏感性，并預測結構的破壞。結果表明：相比受拉損傷在整個橋體均有分布，受壓損傷主要發生在跨中箱格的受撞擊側以及支座區域。此外，FS和DM-PS模型與實際的破壞模式吻合較好，SR模型在分析中嚴重高估了結構的破壞程度。相比撞擊質量，結構的沖擊動力行為對于撞擊速度有更高的敏感性。建議在箱梁底部設置混凝土加強底板，以提高超高車輛撞擊時橋梁底部的抗沖擊性能和降低結構的破壞程度；箱梁側面箍筋在結構抗沖擊過程中發揮重要作用，可通過適當提高箍筋強度以減小局部的結構破壞。

圖3.9 DM-PS車輛模型

鐵路橋梁與公路橋梁不同，其部分結構的故障可能導致整個軌道的阻塞和列車停運。近年來，超高車輛與橋梁上部結構的碰撞問題愈發頻繁，這些碰撞會損壞橋梁上部結構，影響橋上列車行駛安全，造成鐵路運輸中的諸多問題。Amirhesam等人^[48]考慮了鐵路橋梁在超高車輛碰撞下的動態行為，并使用有限元方法模擬混凝土梁和橋面（包括軌道、軌枕和道砟）的動態響應，進一步開展了碰撞荷載、車軸荷載、橋梁自重及跨度等不同參數的敏感性分析。結果表明：改變橋梁跨徑和碰撞荷載值會影響混凝土梁在接觸區域的側向位移。橫向位移隨跨長的增加而減小；此外，通過增加撞擊物體的速度來增加碰撞力，可以減小梁底部的側向位移。

為了有效緩解車輛撞擊給橋梁帶來的潛在威脅，科研人員積極投身于各類防撞保護方案的設計與研發之中，旨在增強橋梁的抗沖擊能力，從而削弱撞擊的劇烈程度，并最大限度地減少橋梁結構的損毀。在探索的諸多防護策略中，橋墩的車撞防護構造主要被劃分為兩大類別：一類為剛性防護體系，另一類則是柔性防護系統。剛性防護體系，盡管在防護橋梁免受嚴重物理損害方面可能表現出色，但在事故發生時，往往難以避免車輛自身的重大損壞以及乘員可能遭受的嚴重傷害。相反，柔性防護系統雖然能夠更好地吸收撞擊能量，從而更有效地保護車輛與乘員安全，但其自身卻相對脆弱，容易在撞擊過程中遭受損壞。因此，在實際應用中，如何根據橋梁的具體情況和防護需求，合理選擇并優化防護結構，成為了一個亟待解決的關鍵問題。

Zhou等人^[49]提出了一種新型的波紋鋼板防撞系統（圖3.10）。作者進行了擺錘沖擊試驗和LS-DYNA有限元（FE）模型模擬，研究了防撞系統不同設計參數對峰值沖擊力和吸收沖擊能量的影響。結果表明，波紋鋼腹板能夠提高防撞系統的剛度，從而承受更大的沖擊力。與傳統鋼防撞系統相比，波紋鋼防撞系統能更有效地減少橋墩的沖擊力、側向位移和底部彎矩，從而減輕橋墩的沖擊損傷。貨車承受的峰值沖擊力和波紋鋼腹板吸收的能量受波紋鋼腹板和表面鋼板厚度的決定性影響，其次是鋼材的屈服應力和波紋鋼腹板的數量的影響，受玻璃鋼層厚度和鋼腹板波紋角的影響較小。

圖3.10 波紋鋼板防撞系統

張景峰等人^[50]針對超高車輛撞擊橋梁上部結構時的損傷問題，提出了一種新型的ECC板-薄壁鋼管組合防護裝置。該裝置旨在通過擴散、吸能和固定三個模塊，降低橋梁在超高車輛撞擊下的損傷程度。使用LS-DYNA軟件進行超高車輛撞擊橋梁上部結構模擬分析。結果表明，ECC板-薄壁鋼管組合防護裝置在超高車輛撞擊下能有效保護預應力混凝土空心板橋，減少損傷。設計參數的選擇對防護裝置的性能至關重要。未來的研究可以開展實驗來驗證該防護裝置的實際防護效果，以及在多次撞擊下的性能變化。

王偉旭等人^[51]采用非線性有限元軟件LS-DYNA進行數值模擬。首先，對中空菱形阻尼器進行參數優化，然后建立新型耗能橋墩的數值模型，并模擬落錘和實際車輛撞擊下的防撞性能。新型耗能橋墩示意圖如圖3.11所示。

圖3.11 新型耗能橋墩三維示意圖

結果表明，而作為主要耗能構件的中空菱形阻尼器吸收了大部分的撞擊能量，剩余的撞擊能量由車輛吸收。本文設計的新型耗能橋墩相較于普通橋墩，沖擊力峰值降低了40%。但落錘與實際車輛撞擊的剛度存在差異，實際撞擊中車輛的非線性變形可能影響阻尼器的能量吸收效果。

Wang等人^[52]采用性價比較高的常見鋼材研制了一種新型的框架式橋梁防撞裝置（圖3.12）。建立了碰撞車輛、該裝置和受保護鋼筋混凝土墩柱的非線性有限元模型，并進行了詳細的模型驗證，以評估該裝置對橋墩保護的有效性。結果表明，該裝置在不同汽車沖擊情景下可吸收總沖擊能量的20.0%左右，對RC墩柱具有非常有效的保護作用。安裝該裝置后，無論混凝土柱的長細度如何，作用在橋墩柱上的沖擊力大小及其響應量都顯著減小。最大沖擊力的減小比根據卡車重量、卡車初始速度以及不同結構部件的幾何和材料參數的不同，在55.0% ~ 85%之間變化。隨著柱與鋼塊接觸面積的增加，柱截面直徑增大，該比值減小。在考慮的沖擊情景下，最大柱頂位移可減少40.0%至80.0%。此外，鋼架單元的塑性變形可以有效地限制在減截面梁段內，而其余部分保持彈性，有利于裝置在撞擊后的修復。

圖3.12 框架式防撞裝置

隨著城市中橋梁和車輛數量的增加，車輛撞擊橋墩的事故頻發，導致人員傷亡、財產損失和交通堵塞。因此，提高橋墩的耐撞性具有重要的實際意義。潘晉等人^[53]提出了一種基于鋼材的新型負泊松比結構附著式防車撞結構，用于高速公路橋梁或城市高架橋上保護橋墩柱免受車輛碰撞，并利用有限元分析了其防撞性能。耐撞性分析從三個方面（結構吸能、撞擊力、結構撞深及變形）表明：隨著碰撞速度的增大，防車撞結構對汽車碰撞力的削減效果增強。相比新型負泊松比蜂窩防車撞結構，普通正六邊形蜂窩防車撞結構剛度更大，承載力更強；而新型負泊松比蜂窩防車撞結構力削減效果更好，更適合作為防撞結構。防車撞結構的撞深及變形程度結果表明，在相同碰撞速度及場景下，胞元層數對防車撞結構撞深無影響, 差別在于，在側撞場景下，兩層胞元的新型負泊松比防車撞結構的垂直于撞擊方向的變形更加明顯。

Zhou等人^[54]研究了在卡車撞擊下，采用碳纖維增強聚合物（CFRP）網格加固的工程水泥基復合材料（ECC）包裹的鋼筋混凝土（RC）橋墩的動態響應和剪力機制。通過LS-DYNA數值模擬比較了RC橋墩和CFRP網格加固ECC包裹的RC橋墩的動態響應。結果表明：CFRP網格加固ECC的存在降低了縱向鋼筋的拉應力，并與箍筋一起提高了包裹橋墩的剪力抵抗力，提高RC橋墩在卡車撞擊下的抗沖擊性能，減少由于過度發展的剪切裂縫導致的橋梁倒塌。研究還發現，ECC層的厚度和CFRP網格的橫截面積是影響包裹橋墩動態剪力承載力的主要因素，而發動機重量和卡車初始速度是動態剪力需求的主要因素。對此作者提出了兩個公式，用于預測卡車的動態剪力需求和復合橋墩的剪力承載力，并闡明了包裹橋墩的剪力機制。如式（3-2）和（3-3）所示。

式中，V_dsc為CFRP網架加筋ECC約束墩的動剪承載力；f_c和WRC分別為混凝土的單軸抗壓強度和矩形混凝土柱邊長；E_CFRP和A_CFRP分別為CFRP網格的彈性模量和截面面積；為CFRP束出現主斜剪裂紋時的拉應變；n為沖擊高度以下橋墩每側附著的水平碳纖維布格柵個數。

式中，V_dsd為動態剪切需求；E_k為卡車發動機初始動能。

未來的研究可以集中在實驗驗證數值模擬結果的準確性，考慮樁土相互作用對橋墩動態響應的影響，并探索不同CFRP型材和ECC材料組合對橋墩性能的影響。此外，研究可以擴展到不同類型和尺寸的橋墩，以及不同撞擊條件下的橋墩性能。

雖然GFRP（玻璃纖維增強聚合物）在混凝土結構中應用的可行性已經得到證明，但關于GFRP加固混凝土橋墩在汽車碰撞下的沖擊響應研究有限，GFRP加固橋墩在汽車碰撞下的性能設計框架尚未建立。為了填補這一知識空白。Zhou等人^[55]研究了玻璃纖維增強聚合物（GFRP）鋼筋混凝土橋墩在卡車碰撞下的失效行為和撞擊后損傷，開發了一種基于性能的耐撞性設計框架（見圖3.13），以確保橋梁結構在惡劣環境下（如鹽凍融循環和氯離子環境）與車輛碰撞后的安全使用。作者采用LS-DYNA軟件建立了GFRP鋼筋混凝土橋墩的有限元模型，并進行了卡車碰撞的數值模擬。通過與縮比GFRP鋼筋混凝土柱的水平沖擊試驗結果對比，驗證了有限元模型。利用響應面方法建立了預測橋墩動態剪力承載力的封閉公式，并基于動能的損傷指數和損傷評估方法，預測了復合橋墩的撞擊后損傷等級。

圖3.13 基于性能的玻璃鋼加固混凝土橋墩耐撞設計框架

結果表明，復合橋墩的撞擊后損傷可分為四個等級，橋墩底部的剪力是代表復合橋墩動態剪力承載力的合理指標。橋墩直徑和混凝土抗壓強度是影響復合橋墩動態剪力承載力的決定性因素。GFRP鋼筋混凝土橋墩在受到卡車碰撞時，能夠通過GFRP鋼筋和箍筋共同工作來提高剪力抵抗力，避免因完全發展的剪切裂縫導致的橋梁倒塌。未來的研究可以集中在實驗驗證數值模擬結果的準確性，以及在多次撞擊下的性能變化。

鋼管混凝土（CFST）橋墩因其高承載力、良好延性和輕質特性而被廣泛應用于橋梁結構。然而，在服役期間，CFST橋墩可能會遭受車輛撞擊，目前缺乏針對車輛撞擊下CFST橋墩的性能評估方法。Hu等人^[56]針對CFST（鋼管混凝土橋墩）提出了一種基于殘余變形的性能評價方法。首先，基于有限元對6米和12米高的CFST橋墩在20t、40t以及60、100、140km/h的車輛撞擊下的性能水平進行了數值研究。隨后，提出了基于殘余變形的性能評估方法，選擇了殘余側向變形與橋墩高度一半的比值作為評估指標，并確定了不同性能水平下的評估指標閾值。然后，確定不同性能水平下評價指標的閾值。最后，建立了評價指標的分析模型。結果表明，分析性能水平與數值結果吻合較好。所提出的基于殘余變形的鋼管混凝土橋墩性能評價方法可用于車輛碰撞橋墩的設計和事故分析。

據相關統計，在中國的公路交通事故中，車輛與防護設施碰撞占10%，其中車輛撞斷護欄約占30%。護欄作為道路或橋梁的輔助安全設施，可以在一定程度上防止車輛沖出墜落，保證駕駛員和乘客的安全，減少經濟損失。然而，近年來，發生了多起機動車撞到橋梁護欄，然后人車墜河的重大傷亡事件。Li等人^[57]針對我國公路橋ss級混凝土護欄進行了剛性護欄避碰性能的非線性動態仿真。在此基礎上，針對剛性護欄存在的缺陷，提出了一種剛柔復合雙層護欄，并對其防撞性能進行了分析和評價。作者使用ANSYS/LS-DYNA軟件進行幾何建模、材料本構和元素類型設置、邊界條件設定，并進行碰撞模擬。建立12噸客車的有限元模型，并與實際車輛碰撞測試進行驗證。對SS級加強護欄進行模擬，分析車輛速度、碰撞角度等因素對護欄性能的影響。研究發現，車輛速度和碰撞角度的增加會導致護欄系統吸收的能量、碰撞力、護欄損傷和鋼筋應力范圍增加。混凝土等級對提高護欄的抗撞性能影響有限，并非強度等級越高效果越好。所提出的雙層護欄系統的車輛變形能量僅為混凝土護欄系統的59.1%，表明雙層護欄能更有效地保護駕駛員和乘客安全，減少乘客受到的沖擊。

山區橋梁是山區交通運輸的關鍵節點，對促進經濟發展和地區交流起著重要作用。然而山區地形復雜，巖石破碎、侵蝕、滑坡等地質災害常見，增加了橋梁遭受落石沖擊的風險。落石沖擊災害可能導致橋梁的損壞、封閉和維護時間的延長，嚴重影響交通運輸效率，造成經濟損失。2023年崩塌落石對橋梁撞擊的研究總結如下。

落石沖擊力的量化仍然具有挑戰性，因為沖擊力的數值會受到落石形狀和其他因素的影響，國內外學者對此提出了大量的經驗及半經驗公式。目前，顆粒層在沖擊下表現出流體和固體行為的特征，其沖擊力（包括時間依賴性和最大值）的理解尚不深入。Li等人^[58]提出了一種計算不規則形狀巖塊對顆粒層施加的最大沖擊力的半經驗公式，并進行沖擊試驗驗證模型的有效性。圖4.1是巖石塊體撞擊顆粒墊層示意圖。值得注意的是，該模型引入了功能比(α)，它將巖石在穿透過程中的能量損失與最大沖擊力和穿透深度聯系起來，這是一個無量綱參數，如式（4-1）所示。

其中，W_t是由作用在石塊上的阻力的合力所做的功，F_max是最大沖擊力，r_max是落石侵入顆粒層的路徑長度。

接著通過α推導出落石沖擊力的半經驗公式，如式（4-2）所示。

研究結果表明：α值主要分布在0.5左右，可作為某些沖擊場景的近似值。塊體幾何形狀、下落高度和顆粒層特性均影響α值。且該模型在實際巖崩場景中表現出優異的性能，在預測落石沖擊力上具有良好的應用潛力。然而，研究中的預測模型未完全考慮沖擊過程和沖擊能量對顆粒層阻力的影響，這可能導致在某些高能量沖擊下預測值偏低。

圖4.1 巖石塊撞擊顆粒墊層示意圖

傳統方法在計算落石沖擊力時存在諸多不足，如計算復雜度高、參數難以確定等。王星等人^[59]基于降維理念和無量綱解法,結合落石沖擊墊層力學特性、幾何關系及能量守恒原理，提出了一種落石沖擊力的MDR算法，計算模型如圖4.2所示。基于室內模型試驗及無量綱理念，提出一種無量綱算法，以簡化計算過程；并通過楊其新試驗算法與擴大系數理念，分別提出三角形修正算法、正弦修正算法、數值模擬修正算法。研究表明，新提出的MDR算法、無量綱算法及修正算法均能有效計算落石沖擊力，針對某在建特長鐵路隧道洞口危巖落石情況，5種算法結果整體具備一定吻合度與可靠性。然而，研究成果主要針對特定類型的落石和墊層材料，對于其他類型的落石和墊層材料可能需要進一步驗證。

圖4.2 MDR 理論模型

L為最大侵徹深度；x_θ、y_θ為觸球冠上某點的橫、縱坐標；θ_max為過球冠底部水平線與墊層表面連線的夾角；θ為過球冠底部水平線與(x_θ,y_θ)點連線的夾角；y_s(θ)為(x_θ,y_θ)處墊層壓縮量；F_max為落石最大沖擊力；Z為豎軸；O為坐標原點。

準確計算落石沖擊力及沖擊深度，對于預防和減輕落石災害具有重要意義。王玉鎖等人^[60]提出基于Hertz接觸理論的落石沖擊力及沖擊深度計算方法。通過試驗驗證計算方法的適用性，并探討緩沖土層對落石沖擊的緩沖效果。具體開展了立方體和球頂錐體兩種落石形狀、1~10m 高度及 0.5~2m 范圍不同緩沖土層厚度的試驗研究，并利用反演分析結合數理統計方法，得到了砂土緩沖層強化系數、落石沖擊力及沖擊深度范圍值。研究表明，理論計算得到的沖擊力和沖擊深度上限值較試驗結果范圍偏大，而下限值與試驗結果范圍相符；相較于落石沖擊力，沖擊深度的理論預測結果與實測更加相符；相同條件下球頂錐體落石的沖擊深度大于立方體，緩沖層厚度大時沖擊深度增大；落石沖擊力離散性較大，與落石形狀和緩沖層厚度無明顯相關性；建議砂土強化系數取值范圍為（2.50×10⁵N/m^5/2，1.00×10⁷N/m^5/2）。然而，研究主要針對砂土緩沖層進行研究，對于其他類型的土體，如黏土、碎石土等，其適用性需要進一步驗證。

巖崩災害具有隨機性和不可預測性，導致防護結構經常遭受多次沖擊。Zhang等人^[61]采用三維離散元方法對巖崩沖擊沙墊的過程進行數值模擬，并通過縮小規模的沖擊實驗，驗證數值模型的可靠性，旨在揭示巖崩對沙墊多次沖擊的動態響應特性。研究表明，多次沖擊下，沙墊的動態響應與單次沖擊存在顯著差異，包括沖擊力、穿透深度等方面的變化。并根據數值結果提出了一個考慮多次沖擊影響的沖擊力計算公式，該公式結合了現有巖崩沖擊力計算公式和多次沖擊特性，如式（4-3）所示。研究還發現，沖擊位置的變化對沙墊的動態響應有顯著影響，特別是當兩次相鄰沖擊的位置距離較遠時，第二次沖擊的響應基本不受第一次沖擊的影響。

式中，P_max為最大沖擊力（kN）；M_E為土墊層的反力模量（kN/m²）；R為落塊與墊塊接觸的半徑（m）；W為落石重量（kN）；H為下落高度（m）。

西部山區板塊構造活躍，活動斷裂密集，地形變化顯著，存在危巖落石、滑坡等不良地質現象。這些地質現象導致列車在運行過程中極易遭遇崩塌落石，從而影響行車安全。胥思明等人^[62]以西部山區某鐵路簡支箱梁橋為研究對象，建立充分考慮材料非線性和接觸非線性的落石沖擊橋梁仿真分析模型（見圖4.3）和列車-軌道-橋梁耦合動力分析模型；通過改變落石速度、沖擊高度、沖擊角度和落石直徑等參數，分析其對橋梁結構和列車行車安全性的影響。

圖4.3 落石沖擊簡支梁橋有限元模型

結果表明，落石沖擊力的峰值隨著落石速度、直徑的增大而增大，落石沖擊高度和沖擊角度幾乎不影響落石沖擊力峰值；落石直徑的增大會擴大橋墩結構破壞范圍，表現為多個沖擊力峰值的出現和沖擊力時程的延長；落石沖擊速度越快，沖擊能量越大，對橋上行車安全影響越大，落石沖擊高度越接近墩頂，落石直徑越大，列車橫向動力響應越大，對橋上行車安全威脅越大；落石沖擊角度各工況下列車各項安全評價指標時程曲線變化規律相似，對橋上行車安全影響變化較小；輪重減載率對落石直徑和沖擊高度十分敏感，輪重減載率在落石直徑達到2.5m 時超出規范限值。

橋梁結構常面臨多種災害風險，如落石沖擊、泥石流、地震作用和環境腐蝕，這些都會對橋梁的安全性和耐久性構成威脅。鋼筋混凝土橋梁中的混凝土和鋼材會隨時間因環境腐蝕而劣化，影響橋梁的整體性能。Sun等人^[63]研究了落石沖擊和材料腐蝕多重危害作用下簡支鋼筋混凝土橋墩的動態行為，提出了一個綜合分析橋墩沖擊力和動力位移的框架（見圖4.4），該框架包括混凝土和鋼材的碳化腐蝕模型、粘結滑移模型和沖擊接觸碰撞模型。研究了碳化程度、落石重量、沖擊速度、沖擊角度等因素對橋墩最大沖擊力和動力位移的影響。并通過對某鋼筋混凝土簡支梁進行落錘沖擊的實驗數據，驗證了數值模擬方法的正確性。隨后，通過數值模擬全面研究了落石沖擊和材料腐蝕共同作用下橋墩的動力特性。

圖4.4 鋼筋混凝土橋梁多災害效應研究框架

研究發現，當材料腐蝕超過60年時，沖擊力峰值與碳化程度沒有明顯的關系，位移峰值隨碳化程度的增加而增加。落石沖擊力峰值和位移峰值在沖擊速度、落石重量和沖擊角度上均呈非線性增長。作者指出未來應進一步探究其他動態指標與腐蝕誘導材料屬性之間的關系，并建立理論模型以清晰理解動態響應的變化規律。

Yuen等人^[64]針對中國臺灣中部發生的兩起破壞性落石事件，結合實地調查數據和數值模擬，評估了巖崩沖擊對山區高速公路橋梁的影響。開發了離散元法（DEM）與有限元法（FEM）相結合的混合模型，通過模擬巖崩過程，重建了巖塊的速度和動能數據，并基于應變率材料模型進一步分析了沖擊對橋梁的破壞，圖4.5是沖擊造成的模擬破壞和觀測破壞對比圖。結果表明：DEM分析模擬的落石軌跡與實際情況一致；模擬得到的最大撞擊力是橋梁設計荷載的4.5倍，導致了結構的嚴重損壞，且模擬的損傷機制與現場觀測相符。

圖4.5 沖擊造成的模擬破壞和觀測破壞的比較

空心鋼筋混凝土橋墩因其輕質高強、抗震性能優越，廣泛應用于橋梁建設。盡管已有大量靜力學和抗震研究，針對其沖擊響應的研究仍不足。沖擊荷載下的變形、破壞模式等問題需要深入探討，以確保橋梁在極端荷載下的安全性。Zhao等人^[65]研究了空心RC橋墩在落石沖擊下的動態響應和損傷行為。采用LS-DYNA建立了空心RC橋墩的有限元（FE）模型，并進行了實驗驗證。通過改變落石直徑、沖擊速度、軸向力、沖擊高度和配筋率等參數，研究了這些因素對空心橋墩動態響應和損傷模式的影響。

圖4.6 落石沖擊作用下空心橋墩破壞機理模型

結果表明，在沖擊初期，空心橋墩主要表現為局部響應，隨著沖擊的持續，逐漸轉變為全局響應。空心橋墩在落石沖擊下容易發生彎曲-剪切破壞，特別是在基底部位。落石直徑、沖擊速度和軸向力對空心橋墩的動態響應和損傷模式有顯著影響。增大落石直徑會增加局部損傷程度和范圍。提高沖擊速度會加劇橋墩的損傷程度。適當的軸向力可能對橋墩的抗沖擊性能有積極影響，但過高的軸向力會加劇損傷。值得注意的是，作者提出在整體響應階段，空心墩可分為兩部分：抗彎點以下的下部為懸臂柱，抗彎點以上的上部為簡支撐柱，如圖4.6所示。在橋墩-落石沖擊中，還需要進一步研究更多的落石參數，如落石形狀、沖擊角度等。

Zhao等人^[66]建立了巖崩沖擊作用下空心橋墩的模擬框架，利用該框架進行了大量的數值模擬，研究了沖擊能、縱向配筋比、箍筋比和軸向力比等參數對空心橋墩局部損傷模式及剩余承載力的影響。同時，探討了沖擊側橋墩板斷裂寬度與軸向承載力降低之間的關系。結果表明，空心墩的沖擊力和阻力機制主要受落石與空心截面相互作用的支配。隨著沖擊能量的增加，沖擊側橋墩板的斷裂寬度顯著增大，圖4.7展示了不同落石質量和速度組合下空心橋墩截面損傷工況；增大配箍比可有效減少混凝土的剝落。當落石直徑小于沖擊側橋墩板寬度時，軸向力對其局部損傷的影響最小。沖擊損傷后的空心墩剩余承載力主要取決于沖擊橋墩板的斷裂寬度，為快速預測空心RC墩在巖崩沖擊后的剩余承載力提供了重要依據。

圖4.7 不同落石質量和速度組合下空心橋墩截面損傷工況

單鋼板混凝土組合板的抗沖擊性能十分出色，可有效抵擋落石沖擊。為快速、準確地處理HSC板的變形和設計參數之間的復雜非線性關系，趙唯以等人^[67]基于三種機器學習算法分別建立沖擊作用下HSC板最大變形的預測模型，并通過有限元結果對模型進行驗證。在此基礎上，以落石沖擊下HSC板的最大變形、質量和造價為優化目標，采用遺傳算法對某山區建筑中某HSC屋面板進行優化設計，求解HSC屋面板的厚度、連接件尺寸等設計參數的最優解集。研究表明：高斯過程回歸模型在預測HSC板最大變形時表現出最高的預測精度和效率，其R2和RMSE分別為0.9278和2.29，可代替復雜耗時的有限元計算。同時，通過遺傳算法求得了帕累托最優解集，并根據工程實際確定了最優設計參數。三種模型預測值與實際值的對比如圖4.8所示。

圖4.8 模型預測值與實際值對比

橋墩作為橋梁工程的關鍵構件，一旦受損將導致橋梁結構失效，交通中斷，甚至人員傷亡。高亮^[68]根據剛柔疊層防護思路，設計了Ω型鋼?泡沫板、S型鋼?混凝土板和混凝土板?泡沫板三種耗能緩沖結構三種耗能緩沖結構。通過對三種防護結構在落石沖擊下的破壞模式及試驗動力響應過程分析，揭示剛柔疊層沖擊防護結構的耗能緩沖機理。結果表明，利用剛性外層可將沖擊能量有效擴散至內部柔性緩沖層，充分發揮剛柔層的耗能及緩沖性能；泡沫板-混凝土防護結構綜合性能最優，對比無防護結構，其可使落石沖擊鋼筋混凝土試驗板的沖擊持續時間延長9~10倍，平均沖擊力減至無防護結構的1/10以下，具有良好的耗能緩沖性能。

棚洞是山區工程防護的主要措施之一。由于巖崩災害具有隨機性和不可預見性，棚洞墊層常常受到巖崩沖擊的威脅。為應對這一挑戰，以下學者提出了一些有效的防護措施。為減少落石沖擊對棚洞結構的影響，Han等人^[69]設計了一種緩沖墊層材料作為防護措施。采用離散元法對三種顆粒材料(球形、圓柱形和方形)的碰撞動力學進行了數值模擬，討論了顆粒形狀和初始沖擊速度對顆粒材料的力學特性的影響。結果表明：顆粒形狀和初始沖擊速度對顆粒材料的緩沖效果有顯著影響。如圖4.9所示，在三種不同形狀的顆粒材料中，球狀顆粒材料的緩沖能力最好。此外，沖擊壓力對顆粒形狀的敏感性取決于V₀是否高于臨界初始沖擊速度V_c，在本次實驗中，當初始沖擊速度超過5m/s時，顆粒形狀對沖擊壓力的影響就不占主導地位。在低速沖擊下，顆粒表面越鋒利，力鏈的空間負相關性越強，力鏈結構的空間法向力和正向關系增大，力鏈結構的空間法向力和正向關系增大，力越強。

（a）球體（b）圓柱體（c）正方體（d）壓力峰值對比

圖4.9 不同形狀顆粒的壓力時程圖

落石是高山峽谷區常見的地質災害，因其高能、突發的動力學特性，對影響區內的生命財產安全構成嚴重威脅。鋼筋混凝土棚洞及樁板攔石墻因剛度大、防護性能好，被廣泛用作被動防護結構。孫曉虎等人^[70]首次將SPH-FEM耦合方法應用于落石沖擊防護結構的動力響應研究中，解決了大變形問題的收斂性及準確性難題。建立SPH-FEM耦合數值計算模型，其中鋼筋、混凝土材料使用有限元，大變形的砂土緩沖層使用SPH平滑粒子流。通過室外大型落石沖擊平臺模型試驗，驗證SPH-FEM耦合模型的合理性。結果表明：數值模擬得到的落石沖擊力與鋼筋混凝土板位移與試驗結果相對誤差均在10%以內，證明耦合算法的合理性。在小于12m/s的沖擊速度下，緩沖層能吸收85%以上的沖擊能量，有效保護鋼筋混凝土板。落石峰值沖擊力與速度近似呈線性關系，峰值沖擊力模擬值與Hertz理論值基本一致；數值模擬對于再現鋼筋混凝土板的破壞過程與實際情況吻合度很好。在模擬大變形問題時，SPH-FEM耦合方法比FEM方法更科學，能為落石防護結構的設計和計算提供新的計算思路。然而，研究主要在小于12m/s的沖擊速度下進行了模擬和試驗，對于更高沖擊速度下的動力響應特性尚需進一步研究。

山區落石災害頻繁發生，對交通基礎設施構成嚴重威脅。需要有效的緩沖材料來減輕落石對結構的沖擊，泡沫土作為一種輕質、高強度的材料被廣泛關注。Zhao等人^[71]通過實驗和數值方法評估不同形狀（橢球體、圓柱體、圓錐體、球體和平面體）落石沖擊下泡沫土的緩沖性能。利用有限元分析軟件對實驗過程進行數值模擬，驗證實驗結果的準確性，并進一步分析泡沫土的緩沖機理。結果表明：當巖石形狀由扁平形狀變為錐形形狀時，巖石經歷沖擊過程所需的時間更長，最大沖擊力減小；較厚的土工泡沫有利于減小沖擊力，減小程度受巖石形狀的影響。土工泡沫的厚度和巖石的形狀對土工泡沫的最大變形和豎向應力都有明顯的影響。

落石形狀對沖擊緩沖墊的性能影響顯著，表現為碰撞時落石沖擊力和穿透深度的差異。Zhu等人^[72]研究不同形狀的落石對碎石墊層沖擊特性的影響，以優化緩沖設計。采用離散元方法（DEM）進行數值模擬，模擬了4種不同形狀(圓柱、長方體、球面、立方體)落石與不同墊層的碰撞過程。計算了落石沖擊墊層的基本參數，包括對墊層表面和底部的最大沖擊力以及巖崩的最大穿透深度。結果表明：落石形狀對沖擊特性的影響顯著，是優化緩沖設計的重要考慮因素。不同的落石形狀對墊層表面和底部的最大沖擊力有所不同。圓柱形落石對墊層表面產生的最大沖擊力最小，其次為長方體落石、立方體落石和球形落石。長方體巖崩的侵徹深度最小，其次是圓柱形落石、立方落石和球形落石。

山區崩塌落石災害具有預測困難、突發性強、隨機性大、致災嚴重、影響面廣等特點。柔性棚洞適用于橋梁結構的落石防護，具有結構輕巧、安裝方便等特點。為研究橋梁鋼結構柔性防護棚洞在落石沖擊下的響應，劉占輝等人^[73]使用LS-DYNA顯式動力學分析軟件進行仿真模擬，分析了不同落石沖擊速度、不同沖擊位置、多落石工況等對柔性棚洞以及橋梁結構沖擊響應的影響，得到棚洞結構中高強鋼絲網、鋼拱圈和鋼橫梁等主要構件及T梁結構本身在沖擊作用下的響應規律。結果表明：落石沖擊柔性防護棚洞結構的不同位置，產生的沖擊響應均隨著落石速度變化。落石沖擊防護網時橋梁受到的沖擊效應最小，在防護網未被沖破的情況下不會對橋梁結構造成太大損傷。落石直接沖擊鋼拱圈時橋梁受到的沖擊效應最大，鋼基座下方混凝土在較低能級沖擊下就會破壞。鋼絲網的高應變率對其屈服強度有明顯的提高作用。另外還對多落石沖擊工況進行初步嘗試，為橋梁落石防護的工程設計提供參考依據，未來可進一步研究柔性棚洞的結構優化和耗能性能提升方法。

防護網是崩塌和落石防護中的重要措施之一，廣泛應用于山區道路、隧道口及高風險巖質地區。通過設置防護網，可以有效地阻止落石對周圍環境和交通設施造成危害。防護網不僅能吸收和分散沖擊力，還能夠限制巖石的下滑，減少事故發生的概率。Al-Budair等人^[74]采用ABAQUS/Explicit開發了雙絞線網的三維有限元模型。通過準靜態加載和沖擊試驗對模型進行了驗證。研究發現，正確的幾何表示是準確模擬雙絞線變形模式和相互作用的關鍵。該模型還可以在本構模型中應用單根鋼絲的真實應力-應變關系。

目前缺乏有效算法來計算和評估柔性防護網在遭受落石沖擊后的殘余性能。Zhang等人^[75]以750kJ~1500kJ沖擊試驗的大量實驗數據，基于能量耗散特性和組件極限變形的分析提出了一種通過不同構件撓度來評估和量化柔性屏障剩余性能的新方法。該方法通過兩個主要步驟實現。首先，計算關鍵部件的撓度，識別系統是否損壞。其次，通過計算耗散能量來估計剩余性能比η。防護網系統沖擊試驗和數值仿真結果如圖4.10所示，撓度值吻合較好。根據殘余性能比率，將防護網的殘余性能分為三級；屏障的性能與耗能器耗散的能量(E_b)密切相關;極限撓度識別方法表明，屏障抗損傷能力與防護網的環兩點拉伸伸長率(δ_ring)、耗能器伸長率(δ_b)和樁的面外撓度角(θ)密切相關。此外，利用文章提出的方法對標稱能級為2000kJ的柔性防護網性能相關參數進行了計算，與試驗結果和數值模擬結果進行比較，最大誤差為12%，驗證了評價方法的可靠性。該方法可用于評價標稱能級在750~2000kJ范圍內的柔性防護網的剩余性能。本研究首次提出結合能量耗散和組件變形來評估柔性防護網殘余性能的方法，建議進一步研究該評估方法在長期使用和環境影響下的適用性。

(a)試驗模型的撓度                            (b)數值模擬模型的撓度

(c)撓度時程

圖4.10 沖擊試驗時防護網系統的撓度

落石災害在山區頻繁發生，具有破壞性和不可預測性。被動柔性防護網因其“以柔克剛”的防治思想和高效的耗能單元，在交通、能源、水利等領域得到廣泛應用。趙雷等人^[76]基于LS-DYNA軟件，對配置有輔助支撐繩的5000kJ落石被動柔性防護網進行足尺沖擊試驗的反演。分別針對跨數、落石沖擊位置、柱端滑移特征對被動柔性防護網的力學響應進行參數化分析。結果表明，防護網的力學響應受跨數影響較小，但在相同沖擊條件下，邊柱的內力遠大于中柱。沖擊位置對防護網的力學響應有顯著影響，沖擊跨鋼柱軸力基本保持一致，但側邊柱軸力隨沖擊位置變化而變化。柱端滑移摩擦因數的增加會導致繩索滑移減弱，增加沖擊部位負載，可能造成鋼絲繩破斷或鋼柱屈曲。

張飛云等人^[77]本文提出了一種基于離散元邊坡滾石災害被動防護網設計方法。通過數值模擬，分析了滾石的運動軌跡、攔截的滾石數量以及攔截效率等關鍵指標，以此確定被動防護網的參數，圖4.11展示了某實際工程邊坡、滾石及被動防護網的離散元模型。在此基礎上，結合滾石速度和沖擊能的變化，提供了選型建議。同時，通過對防護網撞擊斷面不同位置形變變化規律的分析，確定了在最佳防護工況下防護網的最大形變位置。最后，以某大型水電站庫區道路建設為例，采用該方法對滾石災害進行了定量分析。結果表明：當被動防護網的尺寸為長度30米、高度5米時，能夠較為有效地攔截滾石，且碎石攔截效率達到92%。此外，防護網材料應能承受108.5kJ的沖擊能。研究為滾石防控措施提供了科學的設計方法和經驗依據。

圖4.11 邊坡、滾石及被動防護網的離散元模型示意圖

研究落石運動軌跡可以預測落石的撞擊分布，有助于安裝巖崩防護結構，以減少巖崩相關損害的風險。對此，Roul等人^[78]在印度Malshej Ghat地區使用Python編寫了一個巖石墜落模擬模型（PSRM），該模型考慮了不同大小和形狀的巖石，并與現有的RocFall軟件進行了比較和驗證。在地區，進行了詳細的地質和巖土工程調查，建立了精確的實地模型來定義巖石墜落的軌跡，以便為災害管理規劃提供支持。結果表明，PSRM模型計算出的彈跳高度、彈跳距離和下落速度更貼近實際情況。與RockFall模擬相比，PSRM的預測結果更加準確地反映了真實場景。此外，研究還發現，斜坡的幾何形狀對巖石墜落災害的影響遠大于材料屬性。

為了系統地模擬橋梁所面臨的整體巖崩風險，需要綜合考慮巖崩風險環境、場景以及其他多變量因素。Ding等人^[79]提出了一種基于VGE（虛擬地理環境）的綜合巖崩場景模擬方法，該方法采用“關聯表示—集成建模—交互仿真”的核心策略。通過融合多源數據，方法能夠有效地表征引發巖崩災害的巖崩因素、形成風險的環境條件以及關鍵的風險要素，從而構建出一個虛擬的巖崩風險環境（見圖4.12）。在此基礎上，設計了不同橋梁工程施工條件和極端環境條件下的巖崩場景，并對相互作用的巖崩風險進行深入分析。研究結果表明，該方法可以系統地識別和分析潛在的綜合巖崩風險，為工程建設提供有價值的參考和現實指導。這為橋梁工程在面對巖崩等自然災害時的風險評估和防范提供了有力的工具。

圖4.12 巖崩風險評估的三維虛擬地理環境

Wei等人^[80]開發了用于有限元分析的混合纖維增強UHPC的材料模型，建立UHPC與鋼筋之間的粘結-滑移模型，評估了混合纖維增強UHPC梁在沖擊載荷下的破壞機制，以及對比單次和重復沖擊載荷下UHPC梁的沖擊性能。研究發現，考慮粘結-滑移行為的模型比完全粘接模型更能準確地預測最大中跨偏轉。重復沖擊測試的數值結果與實驗數據吻合良好。隨著總能量的增加，重復沖擊載荷比單次沖擊載荷更具危害性。此外，混合纖維增強UHPC梁在單次和重復沖擊載荷下表現出比單纖維增強UHPC梁更好的抗沖擊性能。但其研究還未探討其他參數的影響，如纖維類型和混合比例等。

作者主要關注了有限元模擬中鋼筋和混凝土間的粘結滑移關系，粘結滑移關系如圖5.1所示。由圖5.1可知，在CONTACT 1D模型中定義的UHPC與鋼筋的粘結滑移關系形狀與Yuan和Graybeal的模型較為接近。但是該模型為不帶肋鋼筋，如果考慮帶肋鋼筋與UHPC的粘結滑移關系，需考慮機械咬合效應的模擬。

圖5.1 粘結滑移關系

Zhang等人^[81]對碳纖維增強聚合物（CFRP）加固梁和常規RC梁進行了落錘沖擊和隨后的準靜態加載試驗，研究了碳纖維布對鋼筋混凝土梁的動力響應、破壞模式和剩余承載性能的增強作用。在此基礎上，對CFRP加固梁的殘余承載機理進行了高分辨率顯式數值模擬研究。結果表明，CFRP加固的RC梁在沖擊下雖然CFRP板會立即從梁底剝離，但能有效減少梁的最大和剩余位移，提高變形恢復性能。CFRP加固梁的剩余抗力、剛度和能量吸收能力高于未加固梁。有效的錨固方法對提高梁的剩余加載性能有重要影響。試件殘余性能的退化程度一般與沖擊能呈正相關。沖擊高度越大，梁的承載性能越差。CFRP加固梁落錘沖擊及準靜態加載后破壞模式如圖5.2所示。

圖5.2 CFRP加固RC梁受沖擊與準靜態荷載實驗圖

由于近年來車輛與橋梁的碰撞事件增多，對橋梁結構安全構成威脅，因此，提高橋梁結構的抗沖擊設計變得尤為重要。Song等人^[82]提出了一種新的加速度測量方案來估算RC柱在沖擊過程中的慣性力，并開發了一個經驗模型來預測動態彎矩-轉動關系。此外，研究還考慮了應變率效應對材料性能的影響，并進行了詳細的參數分析。結果表明，與準靜態結果相比，RC柱的抗彎強度和最終變形有所增加。沖擊載荷下的RC柱的動態抗彎強度約為270至335kN·m，高于靜態抗彎強度的235kN·m。此外，沖擊載荷下的最終變形約為0.18rad，大于靜態柱的最終變形0.149rad。作者基于實驗和數值結果，開發了一個經驗模型，能夠預測低速度沖擊下RC柱的動態彎矩-轉動關系。但是該研究主要關注矩形RC柱，對于不同形狀的截面，模型的適用性可能需要進一步驗證。

為研究試件柱的抗沖擊性，作者在與準靜態試驗相同的支撐條件下進行了沖擊試驗，實驗裝置如圖5.3所示。

（a）沖擊系統示意圖              （b）試驗裝置

圖5.3 沖擊試驗加載方案 

Heng等人^[83]通過水平沖擊實驗和LS-DYNA數值模擬方法，研究了雙柱式鋼筋混凝土橋墩在水平沖擊下的動態行為。作者對五個縮比雙柱RC橋墩試件進行了一系列水平沖擊測試，考慮了不同的沖擊速度和質量，并基于先驗的有限元模型進行了更多的數值模擬。結果表明，整個沖擊過程可分為開裂、回彈和振蕩三個階段，沖擊力-動能和沖擊力-橫向位移曲線可以通過六個臨界點簡單描述，如圖5.4所示。沖擊速度主導了沖擊力-時間歷史的發展，而沖擊質量的影響隨著沖擊過程的進行變得更加顯著。受沖擊和相鄰橋墩以及彎帽的損傷程度，以及受沖擊橋墩的最大橫向位移與沖擊動能而非沖擊動量正相關。

圖5.4 沖擊力-動能和沖擊力-橫向位移曲線圖

鋼筋混凝土板構件的常規設計是針對地震和風等豎向靜動力和側向動力荷載進行的，設計階段很少考慮沖擊和爆炸的脈沖荷載。因此，有很多學者提供了加固措施。Erol等人^[84]通過使用玄武巖紡織增強砂漿（TRM）條帶加強RC板，采用了實驗和有限元模型（FEM）分析的方法，對17個RC板在相同的沖擊能量下進行了測試，通過落錘試驗裝置施加沖擊載荷，其中部分試件裂紋分布如圖5.5所示。結果發現，玄武巖TRM條帶加強技術顯著提高了RC板在沖擊載荷下的行為和性能，增加了最大加速度值，同時減少了最大和殘余位移。TRM條帶寬度的增加（從50mm增加到100mm）進一步提高了性能，減少了位移和應變值。雙向加強比單向加強更有效，對角線布局比正交布局更優。使用BFRP扇形錨固可以進一步提高沖擊性能和抗力，減少剝離和變形。

圖5.5 部分試件試驗后的裂紋分布圖

趙嘉琛等人^[85]通過實驗和理論分析，探究混凝土板在低速沖擊下的能量耗散機制。作者使用落錘裝置對6組混凝土板試件進行低速沖擊試驗；結合彈性力學理論計算試件的彈性變形能得出試件塑性變形能。結果表明，混凝土板在低速沖擊下吸收的能量中有98%通過塑性變形能的方式消耗。混凝土強度不能完全決定受低速沖擊混凝土板塑性變形能的耗能。塑性變形能隨沖擊能量的增大而增大，并呈現良好的線性關系。

Senthil等人^[86]結合實驗和數值模擬來研究鋼筋混凝土隧道在重復沖擊載荷下的行為，并考慮了隧道尺寸對性能的影響。實驗部分，作者制備了四個M25級混凝土的半圓柱形隧道模型，并采用104公斤的沖擊體進行了重復沖擊測試。不同落差下的沖擊破壞型式如圖5.6所示。結果表明，隧道樣本在1.5米、2.3米和3米的不同落高下，分別能夠承受5次、4次和2次沖擊。隧道的長度和寬度是影響隧道在沖擊載荷下響應的重要參數。隧道長度的增加可以減少米塞斯應力（Mises Stress）和變形，而寬度的增加則會導致更高的彎曲應力和變形。而基寬的增加則會導致應力集中從縱向轉變為橫向，增加隧道的全局穩定性和對局部失效的抵抗力。

圖5.6 試驗隧道在1.5、2.3和3米落差(從左至右，最右側為單次沖擊對照)反復沖擊下的破壞情況

鋼管混凝土（CFST）因其卓越的力學性能和施工便利性，在現代建筑中得到了廣泛應用，特別是在橋梁和高層建筑領域。在高層建筑中，CFST結構不僅能夠提供更大的開間距、有效減少柱子占地面積，還展現出較高的承載能力和優異的抗震性能。同樣，在橋梁工程中，CFST被用于構建梁、墩等關鍵結構，憑借其高耐久性和強抗震能力，成功滿足了大跨度、大荷載的嚴苛要求。鑒于CFST的上述優勢，特別是在承載能力和延性方面的出色表現，它被廣泛采納于關鍵基礎設施的建設中。CFST柱因此成為了眾多工程的首選。然而，盡管已有大量研究聚焦于CFST在準靜態載荷下的性能表現，對于其在沖擊載荷作用下的應力發展機制及混凝土的損傷情況，目前的理解仍然不夠充分。這一現狀促使許多專家學者進一步深入探究CFST的抗撞性能，以期更全面地掌握其在各種極端條件下的行為特性。

Mou等人^[87]研究了方鋼管混凝土（CFST）柱在側向沖擊載荷下的動態響應，通過在平面或角落區域進行落錘沖擊實驗，探究不同沖擊方向對CFST柱動態響應的影響。其實驗參數包括錘質量、落高、沖頭半徑、內置鋼筋、剪跨比、寬厚比和柱尺寸，并開發了基于ABAQUS/Explicit的3D有限元模型，進一步分析動態行為。角區受沖擊的試件（C組）破壞模式如圖5.7所示。由于落錘試驗中試件均為簡支，試件的破壞模式主要為跨中彎曲變形。C組試件在沖擊部位局部凹陷也很明顯，但鋼管屈曲脹形主要在截面寬度方向。C組試件C-3~C-7跨中底角出現鋼斷裂。其中，預埋鋼筋的C-7試件底部鋼斷裂明顯較輕。由于沖擊能較低，試樣C-1、C-2和C-8均未發生斷裂。同樣，大尺寸C-9標本的底部也沒有損壞。

圖5.7 C組試件受沖擊破壞效果圖

研究表明，CFST試件在側向沖擊下主要表現為中跨彎曲變形，具有超過80%的能量吸收率，顯示出良好的能量吸收能力。角區受沖擊的CFST試件顯示出不足的抗沖擊性能。目前的有限元模型未能考慮鋼材斷裂行為，限制了模型在評估具有鋼材斷裂行為的試件時的準確性。未來的工作需要改進有限元模型以提供更準確的預測，并分析更多參數的影響。

Chen等人^[88]通過落錘試驗和有限元方法（FEM）研究鋼管混凝土（CFST）在側向沖擊下的力學行為，特別是分析沖擊速度、沖擊質量、截面鋼材比例和邊界條件對CFST柱慣性力的影響。結果表明，在沖擊過程中，CFST的中跨和固定支撐附近形成了兩個塑性鉸。數值和實驗結果表明，數值模型合理，可用于研究CFST柱的應力發展、損傷和慣性力。沖擊過程中，最大應力出現在沖擊位置的鋼管部分和固定支撐處，其他部分仍處于彈性或彈塑性階段。沖擊速度對CFST慣性力的分布有顯著影響，而沖擊質量和截面鋼材比例對峰值沖擊力時的慣性力影響不大，邊界條件對慣性力分布的影響較小。本研究的創新之處在于提出了一個慣性力的簡化力學模型（見圖5.8），其能夠直接利用峰值沖擊力和其出現時間來預測慣性力。

圖5.8 慣性力的簡化力學模型

Jiang等人^[89]通過剛塑性模態近似方法和有限元分析（ABAQUS）研究兩端固定鋼管混凝土（CFST）構件在側向沖擊載荷下的變形模式。作者使用屈服準則和基礎梁模型，獲得了CFST構件在側向沖擊下的塑性行為的模態解析解。結合幾何和物理參數變化，通過模態解來有效預測CFST構件的橫向變形。結果表明，剛塑性模態解能夠捕捉有限元結果，并且變形模式與現有實驗結果一致。CFST構件的橫向變形可以通過包含幾何和物理參數變化的模態解有效預測。CFST構件的撓度隨著長徑比、初始沖量和較小的厚徑比的增加而增加。構件的大變形顯著受到鋼管厚度、截面直徑和初始沖量的影響。如圖5.9所示，為理論計算使用的塑性基礎梁模型。圖5.10展示了該模型計算結果與ABAQUS有限元分析結果的對比，可以看出所選擇的模態振型能夠準確地預測構件中點處的最終撓度。

圖5.9 塑性基礎梁模型

圖5.10所提理論模型計算結果和有限元結果對比圖

CFST因其卓越的強度和耐火性能，在建筑和橋梁結構中得到了廣泛應用。然而，在極端事件中，結構可能同時遭受沖擊和火災的影響，導致嚴重的結構損傷或倒塌。Ji等人^[90]通過實驗和數值分析，探究火災后鋼管混凝土（CFST）構件在側向沖擊下的響應，對9個CFST試件進行了不同參數（火災持續時間、沖擊高度和邊界條件）下的電爐火災和落錘沖擊測試（圖5.11）；開發了基于有限元（FE）模型的火災后CFST構件側向沖擊響應模型，并與實驗結果進行校準，進一步分析沖擊響應。結果表明，火災后CFST構件在側向沖擊下表現為整體彎曲破壞，隨著火災持續時間的增加，其抗沖擊能力降低，表現為更低的峰值和平臺沖擊力，但偏轉更大。有限元模型能夠準確預測實驗結果，鋼管對CFST構件的動態抗彎能力貢獻大于混凝土。軸向荷載比小于0.3時，軸向荷載對火災后CFST構件的側向沖擊響應影響較小。

圖5.11 電爐火災和落錘沖擊系統

Feng等人^[91]通過側向沖擊實驗和LS-DYNA數值模擬，探究預應力對耐候鋼管混凝土（CFWST）柱抗側向沖擊性能的影響。基于實驗和模擬結果，推導出懸臂構件側向最終位移和彎矩的經驗公式，并提出了基于性能的抗沖擊設計方法。實驗裝置如圖5.12所示。結果表明，預應力的應用顯著提高了柱的抗沖擊性能，預應力能降低固定端鋼管的拉應力水平和構件的整體塑性變形。數值模擬結果與實驗結果吻合良好，驗證了模擬方法的準確性。通過參數分析，得到了影響CFWST柱抗沖擊性能的關鍵參數（沖擊位移和彎矩），并提出了相應的經驗公式。

圖5.12 側向沖擊實驗裝置

鋼管混凝土（CFST）結構在橋梁、沿海和山區工程中廣泛應用，常受到如船只或車輛撞擊、碎石流和落石沖擊等沖擊載荷。這些結構在長期服役期間可能遭受重復沖擊載荷，增加了結構失效的風險。Gao等人^[92]采用ABAQUS/Explicit軟件進行模擬，研究了方形鋼管混凝土（CFST）柱在重復側向沖擊下的動態性能；考慮常見設計參數的影響，提出預測公式，評估沖擊次數和各種參數對CFST柱的影響。結果表明，方形CFST柱在五次側向沖擊下的反應與單次沖擊時相似，主要表現為整體彎曲破壞。隨著沖擊次數的增加，能量吸收比逐漸降低，塑性變形作為CFST柱的主要能耗機制。通過增加鋼屈服強度、截面鋼比和尺寸，可以有效提高CFST柱的抗沖擊性能。提出了考慮沖擊次數和各種參數影響的動態彎曲能力和剩余軸向壓縮阻力的預測公式，與數值結果吻合良好。如圖5.13所示，不同CFST柱在多次沖擊下的損傷值。

圖5.13 CFST柱在多次沖擊下的損傷值

但該研究未涵蓋所有可能影響CFST柱性能的參數，如環境因素和材料老化等，有待后續進一步研究。

CFST結構因其高承載能力和經濟效益在建筑和橋梁工程中得到廣泛應用。然而，傳統CFST結構存在截面尺寸大、材料消耗多、空間利用受限等問題。為了解決這些問題，一些研究者提出了在CFST構件中嵌入CFRP的新型復合構件。Li等^[93]研究了碳纖維增強復合材料(CFRP)型材加筋的懸臂鋼管混凝土(CFST)構件在側向沖擊作用下的抗沖擊性能。進行了四組不同條件下的沖擊實驗，包括三組嵌入I形CFRP型材的CFST構件和一組普通CFST構件。使用ABAQUS軟件建立了有限元分析模型，建模過程如圖5.14所示，并根據實驗結果進行了驗證。通過參數化分析，進一步分析了沖擊中各構件的損傷模式和能量耗散機制，評估了設計參數對沖擊性能的影響。沖擊過程中彈塑性耗能比例及各階段耗能發展情況如圖5.15所示。研究發現，新型復合構件在側向沖擊下表現出更高的峰值沖擊力、更低的動態位移和更大的能量耗散能力。CFRP型材的加入顯著提高了構件的側向抗沖擊性能。

圖5.14 復合有限元模型建模過程

圖5.15 彈性應變能比例

Li等人^[94]通過橫向沖擊試驗及ABQUAS有限元軟件仿真評估了包覆型碳纖維增強型材（CFST-CFRP）加筋方鋼管混凝土柱（圖5.16）的側向抗撞性能。具體開展了三個CFST-CFRP柱和一個CFST柱的沖擊試驗，考慮了沖擊速度、沖擊類型、沖擊沖量和CFRP型材的變化。使用經試驗驗證的ABAQUS有限元模型分析了位移、沖擊力、慣性力、彎矩、剪力和耗散能量，以揭示CFST-CFRP柱在沖擊載荷下的工作原理。結果表明，所有試件均在支撐處發生破壞，CFST-CFRP柱的破壞模式從斷裂變為局部屈曲，表明CFRP型材顯著提高了CFST柱的抗撞性能。在沖擊過程中，鋼管和CFRP輪廓是主要的能量耗散和彎矩承載組件。CFRP型材能夠顯著提高柱子的抗沖擊能力，增強幅度可達到17%。CFRP型材的作用隨鋼管的厚度和強度的減小而增大。此外，慣性力對減少構件的剪力和彎矩具有重要作用。

圖5.16 CFST-CFRP柱(a)橫截面圖 (b)立面圖

中空夾層鋼管混凝土（CFDST）結構因其輕質、良好的抗震性能、高彎曲剛度和承載能力而被廣泛應用于工程結構中。然而，由于車輛撞擊、船舶撞擊、墜落物和爆炸等事故，這些結構可能會受到沖擊載荷，從而影響其結構完整性和安全性。Pan等人^[95]通過ABAQUS軟件建立有限元分析（FEA）模型，對中空夾層鋼管混凝土（CFDST）柱剩余軸向壓縮承載力的參數（空心比、細長比、混凝土強度和鋼材強度）影響研究；提出了沖擊后剩余軸向承載能力的簡化公式；并探究CFDST柱在側向沖擊及軸向壓縮下的破壞機制和動態響應規律。由圖5.17可知，殘余軸向承載力系數的變化范圍在0.3~1之間。空心比、長細比、混凝土強度、鋼材強度、沖擊能量等因素均對CFDST構件沖擊后軸壓殘余承載能力性能產生一定影響。

圖5.17 空心比、長細比、混凝土強度和鋼管強度對剩余軸向承載力系數的影響

研究發現，方形CFDST柱在沖擊載荷下主要表現為彎曲破壞模式。沖擊后軸向壓縮特性曲線經歷了線性上升、非線性峰值和下降三個階段。隨著沖擊能量的增加，線性上升階段的變形位移縮短，極限承載能力和軸向壓縮剛度顯著降低，延性顯著提高。殘余軸向承載力系數隨沖擊能、長細比和混凝土強度的增大而減小，隨鋼管強度的增大而增大。空心比對殘余軸向承載力系數沒有明顯的上升或下降趨勢。

Guo等人^[96]通過有限元軟件ABAQUS模擬中空夾層鋼管混凝土（CFDST）柱在軸向力和側向沖擊耦合作用下的動態響應，探討了不同因素對CFDST柱動態響應的影響，并提出了抗沖擊能力和殘余中跨變形的計算公式。

橋梁作為交通網絡的關鍵節點，其抗撞性能與防撞設計對于維護交通安全和提升橋梁結構的長期可靠性至關重要。近年來，隨著科研工作的不斷深入，橋梁撞擊問題的研究已取得了一系列成果，為實際工程應用提供了寶貴的理論指導。目前橋梁抗撞性能研究主要集中在橋梁結構在撞擊下的動態響應和損傷機制等方面。隨著計算機技術的快速發展，有限元模擬、數值計算等方法在橋梁抗撞性能研究中得到了廣泛應用。研究者們通過建立橋梁和撞擊物的有限元模型，模擬不同撞擊場景下的橋梁動態響應，分析橋梁的抗撞性能。同時，還結合模型沖擊實驗和理論簡化分析方法多角度進行分析研究。防撞設計研究旨在通過設計合理的防撞設施，減輕船舶對橋梁的撞擊力，保護橋梁結構安全。當前，橋梁防撞設計主要分為主動防撞（多見于防船撞）和被動防撞兩種方式。而且隨著新材料、新技術的不斷涌現，橋梁防撞設計呈現出多樣化、特色化的趨勢。

然而，面對日益復雜的交通環境和不斷提升的安全需求，該領域仍面臨多重挑戰，這在去年的《2022年度進展14：橋梁抗撞性能及防撞設計》中得到了詳細總結。這包括“橋梁結構在撞擊作用及多種潛在的極端荷載作用下的響應規律、性能評估及韌性提升”、“高保真、精細化橋撞模型的建立”、“新型防撞材料與結構的研究”、“裝配式橋梁抗撞性能的研究”、“基于人工智能的撞擊預測和決策支持研究”、“橋梁撞擊事件數據庫和事故分析系統的建立”、“橋梁防撞設計標準、規程的編制”以及“人員社會行為模式與交通管理”等。除了已提及的這些研究熱點外，本文將進一步探討未來研究中亟需關注的一些問題。