王燕林
西南科技大学 土木工程与建筑学院， 四川绵阳 621010
摘要：随着我国西部地区经济水平不断发展，公路、桥梁逐渐深入到偏远山区。然而，因为山区地理环境复杂，滚石作为一种山区常见的地质灾害，经常给山区桥梁造成巨大的破坏。近年来，全国各地发生了多起因滚石灾害而导致的重大桥梁损伤事故，并造成了不可估量的人员伤亡和财产损失，本文系统梳理了滚石冲击桥墩的动力响应机制的研究现状，总结分析了现阶段研究尚存在的不足，以期对促进其工程应用和发展提供参考。
关键词：滚石；动力响应；综述
Dynamic response mechanism of bridge pier impacted by rolling stones
Wang Yanlin
(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang,Sichuan 621010, China)
Abstract:With the development of the economic level in Western China, roads and bridges have gradually penetrated into remote mountainous areas. However, because of the complex geographical environment in mountainous areas, rolling stones, as a common geological disaster in mountainous areas, have caused great damage to the bridge in mountainous areas. In recent years, the major bridge damage accidents caused by the rolling stone disaster have been frequent, and the immeasurable casualties and property losses have been caused. This paper systematically combs the research status of the dynamic response mechanism of the roller stone impact pier, summarizes and analyzes the deficiencies of the current research, in order to provide reference for promoting its engineering application and development.
Keywords: Rolling stone; Dynamic response; research progress
0 引言
所谓滚石，是指个别块石因某种因素（崩塌、差异风化、降水、水流冲刷、地震等），在原山体表层松动后受重力影响下由多种运动方式（下落、回弹、跳跃、滚动）中一种或几种组合方式沿斜坡快速运动至地面或较为平坦处的一个动力演变过程。滚石是一种极为显著的自然灾害,体积从几厘米到几百立方厘米不等。滚石运动速度不快，最慢仅几米每秒，最快也不过几十米每秒。然而，因为其常发生于雨季的山区地区,尤其在西部山区发生更为频繁，对公共建设和人民的财产安全都造成了相当大的威胁。山区滚石爆发突然，运动速度快，在极短时间内便对桥墩造成巨大破坏。近年来已发生多次由于滚石撞击造成的重大桥梁损伤事故，给我国山区基础设施建设和群众生命财产安全造成严重威胁。本文主要通过理论分析、试验研究两个方面对相关研究的新进展进行总结。
1 理论分析
连永庆[1]通过有限元软件对冲击荷载作用下混凝土的本构关系展开研究，对比分析HJC混凝土模型、混凝土损伤本构模型、TCK 模型、动力硬化帽盖模型四种典型的混凝土动态本构模型的优势和不足。
周晓宇,马如进等[2]建立RC梁冲击实验有限元模型，通过相关公式对混凝土动载抗剪强度进行描述, 得到剪力破坏参数后，分析不同撞击工况下桥墩的损伤情况。
刘成清、陈驰等[3]以实际棚洞模型为背景，分析在静力作用或冲击作用下，棚洞的动力响应特征以及在弹性和塑形阶段，棚洞应力冲击系数和位移冲击系数的差异，并对相关应力响应及位移响应数值进行计算。
叶欣、熊文等[4]基于动力学基本原理建立滚石-桥墩防撞物有限元动态模型，设计一种弧形桥墩防撞物，通过能量转化的方式消耗滚石冲击动能，从而大幅度减小桥墩所受到的撞击力；另一方面，采用便于修复的材料制作防撞物，使材料在撞击过程中破坏释放能量，同时便于后期修复。
陈宇龙[5]在假定滚石为理想、均匀球体的前提条件下，研究分析了边坡坡面还原系数、坡面粗糙程度以及滚石自转角速度等参数对滚石运动的影响。
李兴民、韩建明等[6]利用有限元仿真软件建立滚石、桥墩有限元模型，采用主从面接触算法，通过两个相互碰撞物体的接触来模拟碰撞过程，获得碰撞瞬间的桥墩应力分布云图以及撞击力与滚石质量、速度响应曲线，对比分析其内在变化关系。
王刚[7]通过构建分离式钢筋混凝土模型，采用中心差分法进行显性动力分析，从而获得各影响因素下的相关实验数据，进一步总结规律。
2试验研究
2.1不同滚石参数下的动力响应
2011年，刘卫国[8]就滚石从不同角度撞击混凝土连续刚构桥的动力响应开展仿真模拟研究，研究结果显示，水平角度撞击时碰撞力最大，变形以及桥墩损伤等动力响应随撞击角度增大而减小。
2015年，李冰[9]基于有限元分析软件，建立滚石-桥墩碰撞模型，对比分析了在滚石形状及桥墩截面形式参数影响下桥墩的动力响应特征差异。研究显示，在撞击作用下，桥墩的破坏形式主要有背侧混凝土受拉破坏以及混凝土保护层破坏。不同形状的滚石在撞击相同截面形式的桥墩后造成的破坏情况存在较明显差异。
2016年，蔡春奎[10]通过仿真模拟综合分析滚石质量，形状以及速度三种因素对运动机理的影响。研究表明，正撞时，撞击力峰值受滚石质量，速度影响较大；同等撞击条件下，滚石形状对撞击力峰值影响较小。
2019年，郭元凯等[11]运用仿真模拟软件建立基于桩-土作用的三维有限元模型，综合考虑滚石质量，撞击位置参数的变化影响，模拟各工况下滚石撞击桥墩结构的动力响应，研究结果表明，滚石质量对位移响应影响较大；随撞击位置增高，桥墩墩顶节点位移增大，对结构的影响增大。
2.2不同桥墩形式下的动力响应
2018年，郭森等[12]通过有限元软件建立简化模型，对独柱式和双柱式两种桥墩形式在其他因素基本一致前提下的动力响应进行研究，结果发现，双柱式桥墩在受滚石撞击过程中的各项动力响应数值均大于独柱式桥墩，当滚石顺桥向撞击桥墩时，独柱式所受到的撞击力比双柱式所受的撞击力大9.28%。
2019年，曹皓波等[13]对比分析了滚石碰撞作用下圆柱式墩、方柱式墩、空心薄壁墩的动力响应结果，研究发现，由于桥墩形式差异，导致滚石和桥墩撞击区接触面积不同，因而撞击力峰值差异较大。空心薄壁墩撞击力峰值大于方柱式桥墩，圆柱式桥墩的撞击力最小；三种桥墩在撞击过程中各时刻的等效应力分布情况基本相同，基本集中在墩顶、墩底以及碰撞接触区；滚石撞击作用下，三种形式的桥墩位移发展趋势基本一致。
2.3不同冲击动能下的动力响应
2016年，罗征等[14]进行了滚石撞击钢筋混凝土墩柱的试验研究和数值模拟。基于相似理论，建立1：10的缩尺模型，保证构件配筋率与原型结构一致，并按一定比例缩小原型撞击力，从而得到相似的动力响应数值。研究表明，随着冲击能量的增加，墩顶位移越大，但衰减周期相同；撞击力最大值、墩顶加速度均增大。
2017年，肖励之[15]结合一些已有研究理论和方法，在保持其他参数基本一致的情况下，模拟几组初始冲击动能不同下的工况，得出相关位移、速度以及内能时程曲线。研究表明，墩柱水平横向位移，桥墩所受的撞击力均随初始动能的增加而增大，因此，初始动能越大，桥墩损坏也越严重。
3 结论与展望
综上所述，目前国内主要从滚石参数，桥墩形式以及冲击动能等方面对滚石撞击桥墩的动力响应结果开展了一定的分析和研究，并取得了一些研究成果，但整体上尚处于起步阶段，为了促进滚石撞击桥墩动力响应与运动机理的研究和工程运用，本文在对其研究现状进行总结分析的基础下，给出以下几点供参考：
(1)现有的仿真模拟分析多采用有限元软件，可使用新型离散元软件，将
滚石视为由离散的小型岩块和岩块间的节理面所组成,允许岩块平移、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动，从而模拟实际工况下滚石在运动过程中可能发生的破碎情况。
(2)除单个滚石对桥墩正面撞击外，进一步研究多滚球多次撞击，多角度
工况下的动力响应及运动机理。
(3)进一步完善建模情况，考虑实际桥梁所需受到的上部荷载影响，建立
更为真实复杂的桥梁缩尺模型，从而深入开展对桥墩受滚石撞击的研究。
(4)结合实际工程，分析在实际山区桥梁的建设中，所能开展的防护和加
固工作，对比各措施的优劣并加以改进。
参考文献
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