鋼筋混凝土復(fù)合防護(hù)梁的抗撞性能研究

楊潤林， 聶　婷， 白娜妮

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京　100083, 中國； 2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑設(shè)計(jì)院，北京　100013)

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鋼筋混凝土復(fù)合防護(hù)梁的抗撞性能研究

楊潤林1， 聶婷2， 白娜妮1

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京100083, 中國； 2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑設(shè)計(jì)院，北京100013)

摘要：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)較少考慮碰撞效應(yīng)，因此有可能因碰撞荷載而引起嚴(yán)重的沖擊破壞。鑒于此，在前期提出的剛?cè)釓?fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，針對鋼筋混凝土復(fù)合防護(hù)梁的抗撞性能進(jìn)行了分析研究。在數(shù)值模擬的過程中，分別考慮了無防護(hù)、剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和剛?cè)釓?fù)合防護(hù)四種不同的措施以及兩端固支、兩端鉸支和一端固支一端鉸支三種不同的梁端約束形式。通過觀測鋼筋混凝土梁的應(yīng)變、位移、加速度和沖擊力等參數(shù)，可評價(jià)相應(yīng)的抗撞效果。數(shù)值結(jié)果表明，提議的復(fù)合防護(hù)體系效果最好，可以有效抑制受撞構(gòu)件的沖擊響應(yīng)；同時(shí)，構(gòu)件約束形式對抗撞性能的影響也是不容忽視的。

關(guān)鍵詞：抗撞；沖擊荷載；復(fù)合防護(hù)；鋼筋混凝土梁；數(shù)值模擬

在針對工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行荷載組合分析的過程中，過去一般很少考慮爆炸或者碰撞類荷載的作用，這就導(dǎo)致在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件顯得非常脆弱，極易受損或者破壞。另一方面，因沖擊類荷載導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件失效的事例在實(shí)際工程中并不少見，譬如超高橋梁擦撞面板下部主梁、偏離航道的船舶撞擊橋墩、建筑施工過程中高空墜物撞擊樓板等。因此，如何使結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵御這類沖擊荷載的作用效應(yīng)，具有重要的研究價(jià)值。

抑制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊效應(yīng)一般可以考慮下面三種途徑[1-3]：一是依靠構(gòu)件自身的變形、開裂或者屈曲來減緩碰撞作用，例如鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以利用大變形性能來吸收沖擊能量；二是在構(gòu)件材料組成中添加防護(hù)材料來提高構(gòu)件的抗沖擊承載力，例如在混凝土成分中添加鋼纖維；三是在構(gòu)件外部添加防護(hù)裝置借以耗散沖擊能量，通過犧牲防護(hù)裝置來保全關(guān)鍵承載構(gòu)件[4-9]。顯然，按思路三進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)最為理想，主要表現(xiàn)在對材料性能不做過高要求、小荷載下結(jié)構(gòu)可不受損和防護(hù)裝置受損相對易于替換修復(fù)等。此外，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中梁是主要承載構(gòu)件的表現(xiàn)形式之一，包括柱構(gòu)件在內(nèi)的桿單元一般都可采用梁單元進(jìn)行分析。

基于上述考慮，本文擬針對鋼筋混凝土梁采用不同的防護(hù)措施，通過數(shù)值模擬評估分析對應(yīng)的抗撞性能。同時(shí)，驗(yàn)證前期提出的陣列式剛?cè)釓?fù)合防護(hù)體系的相對優(yōu)劣性[10]。

1防護(hù)裝置與計(jì)算參數(shù)

1.1陣列式復(fù)合防護(hù)裝置工作原理簡介

陣列式復(fù)合防護(hù)裝置采用區(qū)格式構(gòu)造，如圖1所示。這種剛?cè)釓?fù)合防護(hù)型裝置具有兩道防護(hù)層，第一道為剛性防護(hù)層，第二道為柔性防護(hù)層。柔性防護(hù)層之后即為待防護(hù)構(gòu)件，二者相互接觸?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)際采用的分塊式柔性層與傳統(tǒng)整體式做法是不一樣的，采取了陣列式分割布置的方式。在剛性層較均勻地把沖擊作用傳遞到各個柔性塊之后，分布的柔性塊由于側(cè)向約束作用相對較小，比整體式柔性層變形更大，可以吸收耗散更多的外部能量。

圖1　復(fù)合防護(hù)裝置示意Fig.1 Sketch of composite laminates

1.2計(jì)算模型參數(shù)

計(jì)算模型中選取待模擬的鋼筋混凝土梁長為1 700 mm，寬為95 mm，高為160 mm。在梁的基本尺寸確定之后，剛性層選用鋼板模擬，長、寬和厚度分別取200 mm、95 mm 和10 mm的；考慮到落錘和鋼筋混凝土梁的形狀以及尺寸的局限性，柔性層選取長300 mm、寬95 mm和厚度為10 mm的一橡膠塊模擬；落錘采取長方體形式，沖擊接觸面是邊長為220 mm的正方形，高度小于其余兩維尺寸，取為175 mm，主要考慮降低落錘重心，其重量為65 kg。碰撞模擬過程采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行。

計(jì)算中鋼板、落錘均為鋼制構(gòu)件，選取各向同性的彈性模型，而受拉/壓鋼筋和箍筋則采用雙線性隨動硬化材料模型；未來變形主要集中在橡膠層，采用模擬橡膠的經(jīng)典Blatz-Ko非線性模型；混凝土采用考慮動態(tài)損傷的HJC模型，可反映沖擊效應(yīng)對本構(gòu)模型的影響。除鋼筋需要選用LINK160桿單元模擬以外，前述其余構(gòu)件均用SOLID164實(shí)體單元進(jìn)行實(shí)體劃分。鋼材密度取為7.85×103kg/m3，彈性模量、屈服強(qiáng)度分別為210 GPa和375 MPa，泊松比取為0.3；混凝土密度為2.4×103kg/m3，剪切模量取為14.5 GPa，泊松比取為0.2; 橡膠密度取為1.15×103kg/m3，剪切模量取為1.04 Pa，泊松比取為0.46。采用ANSYS/LS-DYNA模塊進(jìn)行分析計(jì)算,建立的幾何模型圖2所示。

圖2　鋼筋混凝土梁分析模型Fig.2 Analytical model of the reinforced concrete beam

2數(shù)值結(jié)果分析

對于不同約束形式，即使同一種防護(hù)措施，待考察的鋼筋混凝土梁內(nèi)力和變形情況以及抗撞效果均可能有所不同。鑒于此，下按兩端固支、兩端鉸支和一端固支一端鉸支的先后順序，進(jìn)行防護(hù)效果的比較分析。

2.1兩端固支梁

沖擊荷載情況下梁的變形可以通過應(yīng)變和位移進(jìn)行考察，梁的縱向應(yīng)變參見圖3。根據(jù)碰撞過程中的應(yīng)變云圖，可以發(fā)現(xiàn)各種防護(hù)措施下最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變保持在同一數(shù)量級。裸梁和剛性防護(hù)措施下，觀測梁的大應(yīng)變區(qū)域主要出現(xiàn)在碰撞位置附近，壓應(yīng)變峰值對應(yīng)跨中上表面，拉應(yīng)變峰值出現(xiàn)在跨中下表面。柔性和剛?cè)釓?fù)合防護(hù)措施下，總體上大應(yīng)變區(qū)域仍出現(xiàn)在跨中附近，但應(yīng)變峰值位置遷移到近支座位置。

圖3　兩端固支梁應(yīng)變分布圖Fig.3 Strain contours of reinforced concrete beam fixed at both ends

在應(yīng)變分析的基礎(chǔ)上，針對裸梁、剛性防護(hù)梁、柔性防護(hù)梁和復(fù)合防護(hù)梁可分別提取沖擊力、位移和加速度時(shí)程曲線，如圖4～圖6所示。整個碰撞過程持續(xù)時(shí)間極短，約為5 ms左右。沖擊力和加速度時(shí)程曲線存在數(shù)個循環(huán)，而位移時(shí)程曲線變化趨勢則比較簡單，先上升后衰減，僅在尾部略有變化。

圖4 兩端固支梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.4Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends圖5 兩端固支梁位移時(shí)程曲線Fig.5Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends圖6 兩端固支梁加速度時(shí)程曲線Fig.6Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends

關(guān)于兩端固定約束下鋼筋混凝土梁對應(yīng)不同防護(hù)措施的效果進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)參見表1。表1中分別給出了對應(yīng)裸梁、剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合防護(hù)措施下沖擊力、位移和加速度的峰值，括號內(nèi)的數(shù)值為各種防護(hù)措施下相對于裸梁的沖擊響應(yīng)減少百分率。按照沖擊力指標(biāo)，三種措施下的防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=6.38∶2.11∶1。觀測梁的位移和加速度反應(yīng)與沖擊力是直接關(guān)聯(lián)的，剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合防護(hù)對梁均有一定的防護(hù)效果， 其中復(fù)合防護(hù)效果最好，柔性防護(hù)次之。

表1　兩端固支梁沖擊相應(yīng)

2.2兩端鉸支梁

兩端鉸支梁的沖擊應(yīng)變參見圖7。與兩端固支梁類似的是，在碰撞位置附近仍存在大應(yīng)變集中區(qū)域；不同的是，應(yīng)變突變性不如前者顯著。

在應(yīng)變分析的基礎(chǔ)上，針對裸梁、剛性防護(hù)梁、柔性防護(hù)梁和復(fù)合防護(hù)梁可分別提取沖擊力、位移和加速度時(shí)程曲線，如圖8～圖10所示。

表2中分別給出了對應(yīng)裸梁、剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合防護(hù)措施下沖擊力、位移和加速度的峰值，括號內(nèi)的數(shù)值為各種防護(hù)措施下相對于裸梁的沖擊響應(yīng)減少百分率。按照沖擊力指標(biāo)，三種措施下的防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=4.98∶1.12∶1；按照位移指標(biāo)，防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=2.44∶1.95∶1；按照加速度指標(biāo)，防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=1.36∶1.2∶1。

圖7　兩端鉸支梁應(yīng)變分布圖Fig.7 Strain contours of reinforced concrete beam hinged at both ends

圖8 兩端鉸支梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.8Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends圖9 兩端鉸支梁位移時(shí)程曲線Fig.9Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends圖10 兩端鉸支梁加速度時(shí)程曲線Fig.10Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends

表2　兩端鉸支梁沖擊響應(yīng)

2.3一端固支、一端鉸支

一端固支、一端鉸支梁的碰撞應(yīng)變參見圖11，在碰撞位置附近也存在大應(yīng)變集中區(qū)域。根據(jù)約束情況，應(yīng)變情況應(yīng)介于前二者之間。

在應(yīng)變分析的基礎(chǔ)上，針對裸梁、剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合防護(hù)梁可分別提取沖擊力、位移和加速度時(shí)程曲線，如圖12～圖14所示。

表3中分別給出了對應(yīng)裸梁、剛性防護(hù)、柔性防護(hù)和復(fù)合防護(hù)措施下沖擊力、位移和加速度的峰值，括號內(nèi)的數(shù)值為各種防護(hù)措施下相對于裸梁的沖擊響應(yīng)減少百分率。按照沖擊力指標(biāo)，三種措施下的防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=3.89∶1.07∶1；按照位移指標(biāo)，防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=3.48∶2.25∶1；按照加速度指標(biāo)，防護(hù)效果對比值為復(fù)合防護(hù)∶柔性防護(hù)∶剛性防護(hù)=3.81∶2.60∶1。

表3　一端固支一端鉸支梁沖擊響應(yīng)

(a) 裸梁(b) 剛性防護(hù)梁(c) 柔性防護(hù)梁(d) 復(fù)合防護(hù)梁圖11 一端固支一端鉸支鋼筋混凝土梁應(yīng)變圖Fig.11Straincontoursofreinforcedconcretebeamsfixedatoneendandhingedattheotherend

圖12 一端固支一端鉸支梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.12Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatoneendandhingedattheotherend圖13 一端固支一端鉸支梁位移時(shí)程曲線Fig.13Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamsfixedatoneendandhingedattheotherend圖14 一端固支一端鉸支梁加速度時(shí)程曲線Fig.14Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatoneendandhingedattheotherend

3結(jié)論

(1) 鋼筋混凝土梁的沖擊應(yīng)變最大值主要出現(xiàn)在受沖擊部位和兩端約束部位附近。

(2) 梁的約束形式對沖擊力峰值影響顯著。在相同的防護(hù)條件和沖擊條件下，兩端固支梁的沖擊力最大，其次是一固一鉸梁，最小的是兩端鉸支。

(3) 在相同的沖擊條件下，根據(jù)位移、加速度和沖擊力等指標(biāo)評判，復(fù)合防護(hù)的效果最優(yōu)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Impact-resistant performance of a reinforced concrete beam with composite laminates

YANGRun-lin1,NIETing2,BAINa-ni1

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Architectural Design Institute, China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

Abstract:Traditional design of structural members considers less collision effects, so it may be possible to cause damage due to impact loads. Here, the impact-resistant performance of a steel reinforced concrete beam with rigid-flexible composite protective structure was analyzed based on the earlier study outcomes. In numerical simulation, the observed beams with four different measures including unprotected, rigid protective, flexible protective and the proposed one were considered, respectively. Meanwhile, three considered constraint forms of beam ends included fixed at both ends, hinged at both ends, fixed at one end and hinged at the other one. Protective effects of the different measures were evaluated by observing the strain, displacement, acceleration and impact force of the target beam. Numerical results showed that the proposed composite protective system works best; moreover, the constraint forms of the structural components also have a significant impact on the protective effects.

Key words:impact resistance; impact load; composite laminate; reinforced concrete beam; numerical simulation

中圖分類號:TU311.3; O328

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.032

收稿日期：2015-01-10修改稿收到日期：2015-09-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(50508003)

第一作者 楊潤林 男，博士，副教授，1971年生

E-mail: rlyang@ustb.edu.cn