強(qiáng)沖擊載荷下鋼筋混凝土路面動態(tài)響應(yīng)影響因素敏感度分析

周曉和，馬大為，仲健林，任杰

南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能，已被廣泛地應(yīng)用于高層建筑物、長跨橋、高速公路、水電站、隧道等。這些結(jié)構(gòu)在其工作過程中除了承受正常的設(shè)計載荷之外，往往還要承受諸如爆炸、沖擊和碰撞等動載荷，此時，受載結(jié)構(gòu)處于大變形、高應(yīng)變率和高靜水壓力狀態(tài);在遠(yuǎn)離動載荷作用處，圍壓效應(yīng)減弱而多軸應(yīng)力效應(yīng)明顯;介質(zhì)內(nèi)部由于拉、壓應(yīng)力波的相互作用對材料內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的破壞，對材料性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響［2，3］。

文中對ABAQUS 有限元軟件中混凝土塑性損傷模型的基本理論與特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并將其運(yùn)用到鋼筋混凝土建模中;結(jié)合參數(shù)化技術(shù)，通過對鋼筋混凝土路面模型參數(shù)的修改，快速、準(zhǔn)確地建立相應(yīng)的非線性有限元動力學(xué)模型，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動地進(jìn)行計算，完成參數(shù)化求解目標(biāo)，通過對計算結(jié)果的分析，對鋼筋混凝土路面模型主要性能參數(shù)進(jìn)行敏感度評估。

1 混凝土塑性損傷模型

ABAQUS 中的混凝土損傷塑性模型使用于模擬各種類型中的混凝土和其他準(zhǔn)脆性材料，其采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性理論來表征混凝土的非彈性行為，可模擬低圍壓，混凝土受到單調(diào)、循環(huán)或動載作用下的力學(xué)行為，結(jié)合非關(guān)聯(lián)多重硬化塑性和各向同性彈性損傷理論來表征材料斷裂過程中發(fā)生的不可逆損傷行為。材料的彈性行為應(yīng)為各向同性和線性的［5］。

1.1 屈服函數(shù)

模型考慮了在拉伸和壓縮作用下材料具有不同的強(qiáng)度特征，考慮高圍壓力、等效應(yīng)力以及有效最大主應(yīng)力的影響，將材料的屈服函數(shù)寫成式(1)的形式［4，5］:

式中:α，β，γ—材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定;

通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、等雙軸壓縮實(shí)驗(yàn)、單軸拉伸實(shí)驗(yàn)、TM(tensile meridian)實(shí)驗(yàn)、CM(compressive meridian)實(shí)驗(yàn)得到:

式中:σc0—單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的初始屈服點(diǎn)應(yīng)力;

σb0—等雙軸壓力實(shí)驗(yàn)的初始屈服點(diǎn)應(yīng)力;

σt0—單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的初始屈服點(diǎn)應(yīng)力;

σc—單軸壓縮時的破壞臨界應(yīng)力;

1.2 混凝土的損傷行為描述

模型為連續(xù)的、基于塑性的混凝土損傷模型。它假設(shè)混凝土材料主要因拉伸開裂和壓縮破碎而破壞。屈服或破壞的演化由兩個硬化變量和控制。如圖1 及圖2 所示［4］。

圖1 混凝土單軸拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖2 混凝土單軸壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

如果E0為材料的初始(無損)彈性剛度，則單軸拉伸和壓縮載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別為:

1.3 流動勢函數(shù)

混凝土損傷塑性模型采用非相關(guān)聯(lián)勢塑性流動。模型中采用的流動勢G 為Drucker－ Prager 拋物線函數(shù)［4］，即:

ψ(θ，fi)為p－q 平面上高圍壓下的剪脹角;

ξ(θ，fi)為偏移量參數(shù)，給出了函數(shù)趨向于漸近線的速率。

2 有限元計算模型

有限元模型分為兩層:1)鋼筋混凝土層;2)土基。鋼筋混凝土層采用混凝土與鋼筋分離的方法建模，有限元模型尺寸為5.4 m×4 m ×0.24 m。混凝土的模擬采用混凝土塑性損傷模型，根據(jù)文獻(xiàn)［1］提供的數(shù)據(jù)，定義材料的力學(xué)行為;鋼筋采用Mises 彈塑性模型，用埋入(Embedded)的方式將鋼筋放置在距混凝土表面0.11 m 的位置。第二層為土基層，有限元尺寸為5.4 m ×4 m ×2 m。各層材料參數(shù)見表1、表2;鋼筋混凝土層與土基層之間不考慮層間斷裂效應(yīng)，四周設(shè)置為自由，土基底面設(shè)置為固端約束。鋼筋混凝土路面中心處加載，加載半徑R=0.4 m;加載時間t=8 ms，載荷最大值14 MPa，單次載荷總作用時間T=0.1 s。

表1 混凝土塑性參數(shù)

表2 各層材料參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)，通過自編鋼筋混凝土路面參數(shù)化仿真軟件，對混凝土厚度、縱向配筋率及鋼筋位置三項(xiàng)參數(shù)逐一進(jìn)行參數(shù)化計算，從而對單個參數(shù)敏感度進(jìn)行分析。

3.1 混凝土板厚度

當(dāng)鋼筋混凝土路面模型縱向配筋率、鋼筋位置等參數(shù)相同時，分析混凝土板厚度對路面在強(qiáng)沖擊載荷下動態(tài)響應(yīng)的影響。分析模型如表3 所示。

表3 不同混凝土厚度有限元分析模型

圖3、圖4 為計算后得到的不同混凝土厚度情況下鋼筋混凝土路面的載荷中心點(diǎn)最大沉降值及板底中心最大應(yīng)力。

圖3 載荷中心點(diǎn)最大位移隨混凝土板厚度變化曲線

圖4 板底中心點(diǎn)最大應(yīng)力隨混凝土板厚度變化曲線

通過圖3 及圖4 可以看到:1)隨著混凝土板厚度的增加，載荷中心點(diǎn)最大沉降值減小?；炷涟搴穸葟拈_始的0.2 m 變至0.3 m，加載中心點(diǎn)最大位移減小了16.3%;厚度從0.3 m 變至0.4 m，最大位移減小了14.8%;厚度從0.4 m 變至0.48 m，最大位移減小了9.8%;厚度從0.48 m 變至0.56 m，最大位移減小了9.2%。故隨著混凝土板厚的增大，加載中心點(diǎn)最大位移變化率變小。

2)隨著混凝土板厚度的增加，板底中心點(diǎn)最大應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)混凝土板厚度H ＞0.4 m 之后，隨著板厚的進(jìn)一步加大，板底中心點(diǎn)最大應(yīng)力值的變化趨于平穩(wěn)。故得到隨著混凝土板厚的增大，板底中心點(diǎn)最大應(yīng)力變化率變小。

3.2 縱向配筋率

影響縱向配筋率大小主要有兩方面因素:鋼筋直徑與鋼筋間距。對混凝土厚度及鋼筋位置等參數(shù)相同的鋼筋混凝土路面，選取8 個不同縱向配筋率鋼筋混凝土路面模型進(jìn)行研究，計算結(jié)果如表4 及圖5 所示。

表4 不同縱向配筋率有限元分析工況及結(jié)果

圖5 鋼筋層最大應(yīng)力隨縱向配筋率變化曲線

通過表4 及圖5 可以看到:1)隨著配筋率的減小，載荷中心點(diǎn)最大位移逐漸增大，但變化值非常小;在8 個工況中，板底中心最大應(yīng)力的變化并無明顯規(guī)律，且計算結(jié)果中最大值與最小值間僅相差2.6%。說明縱向配筋率的增加對加載中心最大位移及板底中心最大應(yīng)力無太大影響。原因?yàn)樵O(shè)置鋼筋網(wǎng)的主要目的并非是為了增加板的抗彎強(qiáng)度，而是為了將開裂的混凝土落在一起，使板依靠斷裂面的集料嵌鎖作用保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2)隨著配筋率的增大，鋼筋層最大應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力在鋼筋層中更加平均，提高了鋼筋混凝土層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是當(dāng)配筋率λ ＞0.4%之后，隨著配筋率的進(jìn)一步增大，鋼筋層最大應(yīng)力減小幅度減緩，此時縱向配筋率的提高對鋼筋混凝土路面的抗沖擊性能提高起到的作用也越來越有限。

3.3 鋼筋位置

當(dāng)鋼筋混凝土路面模型縱向配筋率、混凝土厚度等參數(shù)相同時，分析鋼筋位置對路面在強(qiáng)沖擊載荷下動態(tài)響應(yīng)的影響。分析模型及工況計算結(jié)果如表5 所示。

表5 不同鋼筋位置有限元分析工況及結(jié)果

通過表4 及表5 可以看到:

1)隨著鋼筋距頂面距離的增大，載荷中心最大沉降值在減小，但變化值不大。

2)通過表5 工況計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼筋層靠近面板頂層和靠近面板底層的板底中中心最大應(yīng)力值都比較大;鋼筋層在混凝土板2/3～1/2 之間時，板底中心最大應(yīng)力值比較小。故通常將鋼筋層放置于混凝土層中間位置比較合理。

4 結(jié)論

1)強(qiáng)沖擊載荷下，混凝土層厚度對鋼筋混凝土路面載荷中心沉降值及板底中心最大應(yīng)力值影響較大。隨著混凝土層厚度的增加，載荷中心最大位移值及板底中心最大應(yīng)力值均減小，并且載荷中心最大位移變化率及板底中心最大應(yīng)力變化率均減小。

2)強(qiáng)沖擊載荷下，鋼筋層位置對鋼筋混凝土路面載荷中心沉降值有規(guī)律性影響，但影響不大，但是鋼筋層位置對鋼筋混凝土板底應(yīng)力有較大影響。鋼筋層靠近鋼筋混凝土面板頂層和面板底層的板底中心點(diǎn)應(yīng)力均比鋼筋層處在中間位置的板底中心點(diǎn)應(yīng)力要大，故將鋼筋層設(shè)置在混凝土層2/3～1/2 比較合理。

3)強(qiáng)沖擊載荷下，縱向配筋率的變化對鋼筋混凝土載荷中心最大沉降值影響不大，并且對鋼筋混凝面板板底應(yīng)力的影響并無明顯規(guī)律。但是，隨著配筋率的提高，鋼筋層內(nèi)最大應(yīng)力降低，鋼筋混凝土內(nèi)部應(yīng)力更加均勻，提高了鋼筋混凝土路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;當(dāng)配筋率λ ＞0.4%之后，隨著配筋率的進(jìn)一步增大，鋼筋層最大應(yīng)力減小幅度減緩。

［1］劉文晶，姚嬋娟，劉濤等.沖擊荷載作用下混凝土路面的損傷分析［C］.中國公路學(xué)會公路環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展分會2010 年學(xué)術(shù)年會論文集.2010 .

［2］朱聰.碰撞沖擊荷載下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及損傷機(jī)理［D］.天津:天津大學(xué)，2011.

［3］梁星文，葉艷霞.混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007.

［4］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社.2004.

［5］王金昌，陳頁開.ABAQUS 在土木工程中的運(yùn)用［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社.2006.