Research on dynamic response law and impact performance of steel pipe concrete rock-socketed pile under horizontal impact load

在重型基础设施领域，一些最关键的结构是那些深藏于地下的、支撑着桥梁和码头的深厚根基。这些根基通常是深打入土壤或岩石中的桩基，旨在承受巨大的重量。其中最坚固的结构之一是钢管混凝土桩，即在厚实的钢管内填充实心混凝土。钢壳起到了保护壳的作用，而混凝土则提供了体积与强度。工程师依赖这些组合柱，因为它们强度高、柔韧性好且相对易于建造。然而，这些结构面临着一种独特且剧烈的威胁：意外碰撞。当船只偏离航道或驳船被强流推挤时，它会以巨大的力量撞击码头或桥墩。不同于建筑物的缓慢、稳定的重量，这是一种突发的、水平方向的冲击，会向材料传递冲击波。了解这些深埋于岩石中的桩基在受到此类撞击时如何反应对于安全至关重要，然而，在电光石火的撞击瞬间，钢壳与混凝土芯之间复杂的相互作用过程，在很大程度上仍是一个谜。

为了解开这个谜团，来自中国交通建设集团重庆交通科技研究设计院和重庆交通大学的研究团队转向了计算机模拟的力量。他们建立了一个大型直径钢管混凝土桩的详细数字模型，该模型牢固地锚定在一块模拟岩石中。这个虚拟桩体不仅仅是一个静态图像；它是一个动态系统，其中的钢材、混凝土和内部的钢筋都被编程为对压力、应变以及碰撞带来的快速变化做出反应。他们让这个数字模型经历了一系列水平撞击，模拟船舶以不同速度撞击桩基的过程。通过在计算机中观察力量如何在结构中传播，他们可以精确地看到桩基内部在每一分之几秒内发生了什么，这在现实世界的碰撞中是极难测量的。

研究人员发现，当桩基受到撞击时，它并不仅仅是弯曲并停止。相反，整个结构开始振动，像被拨动的吉他弦一样前后摇晃，但带有随时间逐渐消退的快速阻尼节奏。这种振动分为两个截然不同的阶段。首先，随着撞击能量冲击桩基，会出现一个突然且剧烈的力峰值，导致内部力量激增。随后，结构进入一个逐渐衰减的阶段，此时晃动减慢，力量趋于平稳。在桩基内部，钢管和混凝土芯并非完美同步运动。虽然它们共同振动，但处理内部应力的方式却出奇地不同。研究人员发现，混凝土芯承担了绝大部分的重任。在撞击过程中的任何给定时刻，剪切力（试图将桩身切断的滑动力）和弯矩（试图将其折断的力量）在混凝土中都显著大于钢壳。具体而言，钢管贡献的剪切力和弯矩大约仅为混凝土芯的26%，这意味着混凝土承担了绝大部分的载荷。

或许最违反直觉的发现是钢材与混凝土之间的相互作用方式。人们可能会认为钢壳有助于分担载荷，成为混凝土的伙伴。虽然钢材确实贡献了可衡写的内部力量，但模拟显示，钢管并不像人们预期的那样作为一个简单的载荷共享伙伴。事实上，钢管的存在往往导致混凝土芯承受比单独存在时更大的内部力量。这两种材料在力量分布方面似乎在相互抗衡；当混凝土中的剪切力上升时，钢材中的力量往往向相反方向移动。这意味着钢管主要起到一种约束作用，改变了混凝土承受冲击的方式，而不是简单地平等地分担负担。这些力量沿桩身长度分布的模式也揭示了一种特定的形状。混凝土芯中的力量呈现出一种顶部窄、底部宽的形状，类似于葫芦，最剧烈的应力集中在桩基进入岩石的部位附近。相反，钢管表现出不同的模式，其力量呈现出底部宽、顶部窄的形状，类似于倒置的小喇叭。

撞击速度被证明是一个关键因素。当研究人员增加模拟碰撞的速度时，桩基内部的力量显著增长。然而，撞击速度与产生的破坏量之间并不是简单的线性关系。他们还研究了“约束系数”如何影响结果。这是一个衡量钢壳对混凝土挤压紧密程度的指标，由钢材厚度和混凝土强度决定。研究表明，改变钢材厚度或混凝土强度会改变桩基的响应方式，但并不总是以可预测的方式变化。例如，增加钢材厚度会增加约束，这有时会导致混凝土经历的最大弯矩下降，但仅限于一定限度内。超过特定阈值后，这种关系就会发生反转。同样，如果混凝土强度较低，钢壳就必须发挥更大的作用，但桩基的整体行为会根据撞击速度的变化而呈现复杂的变化。

最终，这项研究为这些深层基础在船舶碰撞的极端压力下如何表现提供了清晰的图谱。模拟证实，混凝土芯是主要的防御者，吸收了大部分的撞击能量和内部力量，而钢壳则扮演着一个更复杂的角色，即通过约束来影响力量的分布，而非仅仅是分担载荷。研究确定了桩基的最大侧向位移与钢管中的最大弯矩之间存在基于撞击速度和钢材约束紧密程度的、一致且可预测的关系。这些发现为工程师提供了更清晰的理解，使他们能够洞察受到撞击时隐藏的力学机制，从而设计出不仅坚固，而且专门针对现实世界中剧烈、突然冲击进行优化的结构。通过准确了解力量如何流动以及结构的脆弱点在哪里，工程师可以建造出更安全、更具韧性的基础设施，即使在意外发生时也能屹立不倒。