RC梁沖擊破壞機(jī)理試驗(yàn)研究與殘余變形預(yù)測方法探討

霍靜思+胡開贏

摘 要：進(jìn)行了3根剪跨比為3.58鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗(yàn)和1個(gè)靜力對比試驗(yàn)，重點(diǎn)研究鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下的破壞機(jī)理和沖擊能量對鋼筋混凝土梁殘余變形的影響規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明，在靜力下發(fā)生彎曲破壞的梁在低速?zèng)_擊下的裂縫形態(tài)以彎曲裂縫、彎剪裂縫為主，在高速?zèng)_擊荷載作用下以腹剪裂縫為主.試驗(yàn)測試了沖擊力、支座反力、跨中位移和跨中縱筋應(yīng)變等動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線，通過分析其動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線結(jié)果，獲得了鋼筋混凝土梁的沖擊破壞機(jī)理，即沖擊作用下梁的破壞過程分為局部響應(yīng)階段和整體響應(yīng)階段.同時(shí)，還統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，通過比較分析鋼筋混凝土殘余變形沖擊能量關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討了沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁殘余變形的經(jīng)驗(yàn)公式的適用性和存在的問題.

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；沖擊試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；殘余變形

中圖分類號(hào)：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于全球范圍內(nèi)的恐怖襲擊事件日益增多，煤氣爆炸和其它撞擊事故也逐漸引起關(guān)注，因此，亟需合理的結(jié)構(gòu)抗沖擊荷載設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，進(jìn)行合理的沖擊試驗(yàn)對改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)方法尤為重要.研究和認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的響應(yīng)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，國內(nèi)外研究者已經(jīng)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在極端荷載（如地震、爆炸和沖擊荷載等）作用下的受力性能開展了研究.

由于材料的應(yīng)變率敏感性[1-2]、構(gòu)件的慣性效應(yīng)和構(gòu)件沖擊區(qū)域的局部破壞變形，沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁的受力性能與靜力荷載作用下明顯不同，國外學(xué)者從不同的角度對梁的沖擊過程進(jìn)行了研究.Rajagopalan 等[3]研究了反復(fù)低能量沖擊下鋼筋混凝土梁抗彎剛度的退化，并給出了抗彎剛度退化的理論計(jì)算方法.Bentur等[4]對落錘試驗(yàn)中梁體的加速度進(jìn)行了測量，結(jié)果表明，在沖擊初始階段鋼筋混凝土梁的加速度很大，此階段沖擊力由慣性力抵抗.Kishi 等[5]試驗(yàn)研究表明，可以采用最大支座反力評(píng)估沖擊作用下鋼筋混凝土簡支梁受彎破壞極限承載力，并用平行四邊形的簡化模型來描述支座反力與跨中位移的關(guān)系，進(jìn)一步提出了鋼筋混凝土梁抗沖擊設(shè)計(jì)所需求的靜態(tài)承載力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式.Ohnuma 等[6]完成了18 根鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)不同的沖擊速度會(huì)導(dǎo)致不同的破壞模式：鋼筋混凝土梁在低速?zèng)_擊下發(fā)生彎曲破壞，而在高速?zèng)_擊下卻發(fā)生剪切破壞.Saatci等[7]完成了8根鋼筋混凝土梁的沖擊試驗(yàn)，通過對破壞形態(tài)及裂縫分布的分析，發(fā)現(xiàn)沖擊荷載下不管梁是發(fā)生彎曲破壞還是剪切破壞，剪切機(jī)制都發(fā)揮重要作用.Fujikake等 [8]對3種不同縱筋配筋率的混凝土梁進(jìn)行不同沖擊高度的沖擊試驗(yàn)，并提出了用于估算梁的最大跨中位移的計(jì)算模型，用雙自由度質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)模型對彎曲破壞類型的混凝土梁的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.許斌等[9]對鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能也進(jìn)行了研究.

國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土梁抗沖擊設(shè)計(jì)方法也進(jìn)行了研究.王明洋等[10]將鋼筋混凝土梁的抗沖擊響應(yīng)劃分為準(zhǔn)彈性階段和塑形階段來建立簡化模型，由此提出了低速?zèng)_擊下梁抗沖擊響應(yīng)的計(jì)算方法.Kishi 等[11]對27根無腹筋鋼筋混凝土梁進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，考慮的參數(shù)包括剪跨比和沖擊速度（1～5 m/s），提出了抗沖擊設(shè)計(jì)時(shí)無腹筋梁所需的靜態(tài)抗剪承載力與沖擊能量和殘余變形的經(jīng)驗(yàn)公式.Tachibana等[12]進(jìn)行了一系列的靜態(tài)下受彎破壞梁的沖擊試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到了各沖擊特征參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，同時(shí)提出了基于沖擊能量與靜態(tài)抗彎承載力的跨中最大位移計(jì)算公式，建立了鋼筋混凝土梁在沖擊荷載下基于性能的設(shè)計(jì)方法.Kishi等[13]進(jìn)行了36根不同截面、不同剪跨比的鋼筋混凝土梁沖擊試驗(yàn)，以跨中最大變形和跨中殘余變形為衡量標(biāo)準(zhǔn)提出了抗沖擊設(shè)計(jì)方法，并提出了預(yù)測跨中殘余變形的經(jīng)驗(yàn)公式.趙德博等 [14]對鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究.

就目前研究情況來看，國內(nèi)外學(xué)者對沖擊荷載作用下梁的試驗(yàn)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：沖擊下梁的抗彎抗剪設(shè)計(jì)方法[3-5]、梁的反應(yīng)特點(diǎn)[6-7]（如裂縫形態(tài)、沖擊力支座反力時(shí)程）及其影響因素[8-9]（沖擊能量、配筋變化等）、抗沖擊設(shè)計(jì)方法[10-14]等方面.國內(nèi)外對沖擊過程中梁的破壞機(jī)理研究較為缺乏，因此本試驗(yàn)進(jìn)行了3根鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗(yàn)，研究了沖擊過程中沖擊力、支座反力、跨中位移以及縱筋應(yīng)變時(shí)程曲線，重點(diǎn)分析了梁在沖擊荷載下的破壞機(jī)理.國內(nèi)外學(xué)者在各自的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上提出了相關(guān)的抗沖擊設(shè)計(jì)方法并擬合得到了經(jīng)驗(yàn)公式.本試驗(yàn)在將試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證的過程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式所存在的問題.通過對相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，對沖擊荷載作用下梁殘余變形經(jīng)驗(yàn)公式的適用性進(jìn)行了探討.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了4根鋼筋混凝土梁，試件尺寸和截面的配筋如圖1所示.試件長2 900 mm，凈跨1 860 mm；截面尺寸為b×h =150 mm×300 mm，縱筋保護(hù)層厚度25 mm.梁底和梁頂各配置兩根直徑為16 mm的縱向鋼筋，強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，配筋率為1.03 %；箍筋采用8@150帶肋鋼筋，強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，配箍率為0.44 %.實(shí)測縱筋屈服強(qiáng)度為524 MPa，極限強(qiáng)度636 MPa；箍筋屈服強(qiáng)度479 MPa，極限強(qiáng)度598 MPa.混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，試驗(yàn)時(shí)實(shí)測混凝土軸心抗壓強(qiáng)度34.1 MPa.采用跨中單點(diǎn)集中加載，剪跨比為3.58.

.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

采用湖南大學(xué)高性能落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了梁抗沖擊試驗(yàn)用的鉸支座，如圖2所示.鉸支座由兩個(gè)圓鋼（梁底下方）、一個(gè)壓梁（梁頂上方）和底座（固定于地面）組成.為了防止試驗(yàn)過程中梁體與支座脫離，在梁上端布置壓梁，由拉桿與下層圓鋼相連.由于下層圓鋼可轉(zhuǎn)動(dòng)，壓梁對梁體在支座處的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有影響.兩個(gè)圓鋼之間安裝力傳感器以測量支座反力.落錘錘頭為200 mm直徑平頭圓柱體，通過在上部加減鋼板砝碼調(diào)節(jié)錘頭重量，試驗(yàn)錘頭重量為328 kg.錘頭沖擊點(diǎn)在梁頂面跨中位置，錘頭內(nèi)置有力傳感器以測量沖擊力.梁底面跨中位置布置位移傳感器以測量沖擊時(shí)的位移響應(yīng)，梁底縱筋粘貼有應(yīng)變片以測量鋼筋應(yīng)變時(shí)程.在試驗(yàn)前，對壓梁施加一定的預(yù)緊力，保證梁與支座接觸緊密，以對支座反力進(jìn)行良好的測量.

2.3 沖擊作用下梁的破壞機(jī)理分析

為了揭示鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下的破壞機(jī)理，深入研究圖4所示各試件在沖擊過程中的沖擊力、支座反力、跨中位移和縱筋應(yīng)變時(shí)程曲線的變化規(guī)律及其相互關(guān)系，以試件Ba070為例，將各個(gè)時(shí)程曲線數(shù)據(jù)繪制于同一圖中，如圖5所示（將跨中位移擴(kuò)大20倍，跨中縱筋應(yīng)變縮小20倍，沖擊力和支座反力不變）.從圖5所示各時(shí)程曲線的比較分析可見，可將沖擊過程分為如下兩個(gè)階段.

第一階段為局部響應(yīng)階段.此階段沖擊力作用時(shí)間很短（小于1.2 ms時(shí)），沖擊力迅速達(dá)到了峰值，但支座反力響應(yīng)不明顯，跨中位移幾乎沒有發(fā)展.由于沖擊力的作用，梁跨中局部區(qū)域受到剪力作用，而此時(shí)支座反力很小，試件以受剪為主，局部產(chǎn)生斜裂縫.從圖5可見，縱筋應(yīng)變在這一階段急劇增大，這是由于跨中局部區(qū)域斜裂縫的發(fā)展導(dǎo)致的.

第二階段為整體響應(yīng)階段，作用延時(shí)為1.2～14 ms.1.2～3.2 ms內(nèi)，沖擊力逐漸減小到0，支座反力達(dá)到峰值，跨中位移開始增大，縱筋應(yīng)變變化較小.在這一階段，錘頭的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化給梁體，梁獲得速度開始向下加速運(yùn)動(dòng)（由位移時(shí)程曲線可以看出），而錘頭逐漸減速直到和梁一起運(yùn)動(dòng)，因此沖擊力會(huì)逐漸減??；由沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波傳遞到支座處，支座反力開始響應(yīng)并逐漸達(dá)到峰值（2.2 ms）.3.2 ms以后，沖擊力第二次達(dá)到峰值，這是由于在抗力的作用，梁體逐漸減速，而錘頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，錘頭與梁發(fā)生二次沖擊作用，導(dǎo)致錘頭力出現(xiàn)第二次峰值（3.8 ms）.3.8 ms以后，梁與錘頭的相互作用逐漸減小，沖擊力變化不大，支座反力與沖擊力的變化趨勢一致.由于梁仍具有向下的運(yùn)動(dòng)速度，跨中位移繼續(xù)增大并達(dá)到峰值，試件的垂直裂縫在這一過程中發(fā)展.此時(shí)，縱筋應(yīng)變出現(xiàn)第二次峰值，斜裂縫進(jìn)一步發(fā)展.跨中位移在10.4 ms時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)沖擊力和支座反力開始減小.

梁在沖擊作用下和靜力作用下受力情況明顯不同，其破壞機(jī)理差異顯著.沖擊過程中，沖擊力在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，跨中局部區(qū)域首先產(chǎn)生斜裂縫；當(dāng)應(yīng)力波傳遞到支座處，支座反力開始響應(yīng)；沖擊力在達(dá)到第二次峰值后逐漸衰減并與支座反力趨于一致，跨中位移達(dá)到峰值，垂直彎曲裂縫發(fā)展.

時(shí)間/ms

3 殘余變形經(jīng)驗(yàn)公式的探討

目前，在鋼筋混凝土梁抗沖擊設(shè)計(jì)方法中，通過允許構(gòu)件發(fā)生大變形以耗散能量被認(rèn)為是一種較為合理的設(shè)計(jì)方法.此方法可采用沖擊過程中梁殘余變形作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo).Kishi等[13]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了估算鋼筋混凝土梁殘余變形的經(jīng)驗(yàn)公式，其形式為：

δr=αEPusc（1）

式中：E為沖擊能量；Pusc為試件靜態(tài)受彎承載力設(shè)計(jì)值；δr為試件的殘余變形；α為擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的系數(shù)，Kishi等擬合得到α=0.42.試驗(yàn)中試件的剪彎比均大于1，因此本公式只適用于剪彎比大于1的試件.

由式（1），已知落錘沖擊能量便可確定試件的殘余變形，但對比本次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該公式有待改進(jìn)之處.如按照此公式，試件Ba070，Bb150，Bc260的計(jì)算殘余變形分別為12.2 mm，25.4 mm，50.8 mm，但試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果卻為8.1 mm，20.4 mm，40.6 mm，相差較大.

統(tǒng)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)及本試驗(yàn)共4根梁，對此公式的適用性進(jìn)行驗(yàn)證.圖6為對文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)中試件沖擊能量與殘余撓度的關(guān)系曲線，其中B48為文獻(xiàn)[11] 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，BD為文獻(xiàn)[9]中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，B10為文獻(xiàn)[5] 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且所有試件的剪彎比均大于1.5.從圖中看出，沖擊能量與跨中撓度呈正比關(guān)系，這與Kishi[13]等人得出的結(jié)論是一致的.

利用公式（1）計(jì)算文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)中試件的殘余變形，并與其試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果見表3.對于系列B48[11]，所有試件的試驗(yàn)值均小于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值，且最高相差26%；系列BD中[9]，試件BD1，BD2的試驗(yàn)值小于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值，而試件BD3，BD4，BD5的試驗(yàn)值均大于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值，最高相差38%；系列b10中[5]，試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值相差不大，小于10%；本次試驗(yàn)的實(shí)際值均小于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值，最高相差33%.

沖擊能量E/J

由文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，不同截面的梁在沖擊荷載作用下其殘余變形的分布具有一定的離散性，經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算的試件殘余變形與試驗(yàn)結(jié)果有較大差距.在實(shí)際設(shè)計(jì)中，若構(gòu)件的殘余變形小于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，構(gòu)件是偏于安全的.在文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，試件的殘余變形并不完全小于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，因此，Kishi等給出的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式的安全性有待進(jìn)一步論證.

4 結(jié) 論

本文對4根鋼筋混凝土梁進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)和靜力對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中得到了沖擊力、支座反力、跨中位移、跨中縱筋應(yīng)變等時(shí)程曲線.根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，并對比已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下主要結(jié)論：

1）在靜力作用下發(fā)生彎曲破壞的梁，在低速?zèng)_擊作用下，彎曲裂縫、彎剪裂縫發(fā)展較多，在高速?zèng)_擊作用下，腹剪裂縫發(fā)展較多.

2）通過分析沖擊過程中梁沖擊力、支座反力、跨中位移和縱筋應(yīng)變時(shí)程曲線，對沖擊下梁的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，沖擊荷載作用下梁的破壞過程由局部響應(yīng)階段和整體響應(yīng)階段組成.

3）通過對已有文獻(xiàn)中殘余變形經(jīng)驗(yàn)公式的探討，指出了該經(jīng)驗(yàn)公式存在的不足之處，其適用性需進(jìn)一步論證.

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