随着经济的不断发展以及社会建设的持续进行,桥梁的应用也越来越广泛,桥墩作为桥梁主要的承重和传力部件,在使用当中既要承担上部结构的自重及车辆荷载,还要承受随时被车辆撞击的风险,因此,研究其在撞击荷载作用下的力学响应及防撞措施具有重要的意义。本论文以车辆撞击桥墩为背景,金属空心球泡沫结构作为桥墩防撞装置,以单个金属空心球及金属空心球泡沫结构为主要研究对象,研究单个薄壁多孔金属空心球微观结构特点,以及探讨球壁孔隙对于组成球壁材料以及单个金属空心球整体的力学性能的影响,并且对单个薄壁多孔金属空心球体进行准静态压缩试验和纯弹性压缩试验来探讨该种单个薄壁多孔金属空心球受压后的变形特征及破坏机理,与此同时,研究微孔隙率对单个金属空心球在准静态及动态压缩下的破坏形式的影响。对于金属空心球泡沫结构,研究其在准静态及动态压缩试验(SHPB)的力学响应,并通过有限元模拟来对该种结构在压缩下会出现的负泊松比现象做出正确合理的解释,最后以车辆撞击桥墩为背景,不同厚度的金属空心球泡沫结构作为桥墩防护装置时,采用1:10的缩尺模型进行室内冲击试验,并利用有限元软件ABAQUS模拟所有的撞击试验工况,两者进行综合对比,所得结论如下:1、通过纳米压痕技术测得球壁无孔隙材料力学参数,XCT断层扫描技术和三维立体模型重建技术真实还原金属空心球内外部形貌特征,结合有限元模拟最终确定微孔隙率对球壁材料的力学性能的影响,说明球壁材料弹性模量和屈服强度随着微孔隙率的增大而呈非线性减小,并分别给出确切的微孔隙率、弹性模量及屈服强度三者之间关系的经验公式;2、不同的微孔隙率及分布对单个薄壁金属空心球变形和破坏有很大的影响,总体来看由于孔隙的存在会降低球体的承载力,概括为:当单个金属空心球球壁处存在“薄弱区域”(高孔隙率、壁厚很薄、及微孔隙率和壁厚两者的最不利组合)时,这些区域在受力后会首先发生屈曲破坏,然后向内凹陷,如果这些破坏区域相互毗邻或相近,它们就会连成一条或多条“失稳线”,而这个球体就会沿着这些“失稳线”破坏,此外,这些“失稳线”周围也会形成数个支撑铰,对这个球体的承载能力也会有所提升;3、冲击速度直接影响空心球体的顶底部壳体(与刚性冲击板接触部分)发生变形的时间,冲击速度越大,底部壳体发生凹陷的时间越早,顶底部壳体凹陷的增长量差异就越大即不对称变形越大,当在冲击速度较小时,球体顶底部变形基本保持一致,应力应变曲线趋势大致相同,而当冲击速度较大时,应力应变曲线差异较大,且在壳体接触之前会出现接触力初始峰值;微孔隙率的分布是会影响冲击作用下单个金属空心球的变形过程,然而,除了球体中存在与冲击刚性板平行相对大块的薄弱区域,其他形式微孔隙率分布的球体变形过程与球壁无孔隙球体受冲击变形过程基本一致;4、基于三维Cosserat连续体理论建立金属空心球泡沫结构简化连续模型,并结合几种规则排列形式的金属空心球泡沫结构形式给出相应的泊松比计算公式,归纳出该结构出现负泊松比与否直接取决于球壳连接间的切向刚度与法向刚度的比值,当切向刚度大于法向刚度时,该结构会出现负泊松比现象;5、当模型墩在受到球体撞击后,在金属空心球泡沫结构的防护下,所测得的撞击点和墩顶的加速度、应变测点应变值增加幅度及墩顶位移均呈减小趋势,说明金属空心球泡沫结构具有很好的吸能效果,可以有效地保护桥墩;6、在动态冲击压缩下,金属空心球泡沫结构所展现出的平台区应力值要明显大于准静态压缩下该结构的平台区应力值,并且随着冲击速度的增大,平台区应力值也随之增大,即金属空心球泡沫结构应变率效应很明显,应变率越大,平台区应力值也越大;7、有限元模拟计算得到的模型墩墩身混凝土应变最大值、背撞点和墩顶加速度、墩顶位移以及金属空心球泡沫结构撞深均大于试验实测值,从桥墩被撞后的安全角度来讲,可以认为采用有限元ABAQUS软件模拟撞击荷载下的动力响应相对较为保守,是可行的。