堤防岸坡RC板件的抗沖擊性能研究

夏修迪

（濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

在外力沖擊下，堤防岸坡鋼筋混凝土板（RC板）極易受到嚴(yán)重?fù)p害，造成嚴(yán)重后果。尤其是堤防岸坡防護(hù)工程外墻、頂板經(jīng)常受到多角度的沖擊作用，給其結(jié)構(gòu)安全帶來嚴(yán)重?fù)p傷[1-3]。對(duì)沖擊RC 板件損傷程度進(jìn)行評(píng)估，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施及修補(bǔ)辦法，是確保鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)安全的重要手段。所以，探討沖擊作用下鋼筋混凝土板損傷程度及其抗沖擊性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

對(duì)于鋼筋混凝土板抗沖擊能力，許多學(xué)者展開研究，錢凱、譚新宇[5]等學(xué)者研究了板厚與配筋對(duì)RC 板抗沖擊性能的影響；寇佳亮、王華丞[6]以落錘沖擊試驗(yàn)研究了高延性混凝土板的抗沖擊性能；王坤[7]以落錘沖擊試驗(yàn)研究了泡沫夾芯鋼筋混凝土板的抗沖擊性能；董振輝[8]利用落錘試驗(yàn)分析了不同配筋、板厚、板底加鋼絲網(wǎng)等混凝土板的抗沖擊性能。上述研究主要從混凝土板材料方面進(jìn)行研究，研究方法是落錘試驗(yàn)，研究分析了單純垂直沖擊與多次重沖擊下混凝土板的損傷問題，但在真實(shí)環(huán)境中，混凝土板受到的沖擊模式多種多樣，很難通過模擬沖擊和多次恒沖擊試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行描述[9]。而增幅沖擊試驗(yàn)則能彌補(bǔ)上述不足，且易操作，能夠有效分析混凝土板的抗沖擊性能。鑒于此，此次研究選擇4 組沖擊角度下的鋼筋混凝土板進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，分析其沖擊力時(shí)程、變形程度、吸能分析等，探討其抗沖擊性能。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試件制備

按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制作3塊鋼筋混凝土板，混凝土級(jí)配由硅酸鹽水泥（42.5）和級(jí)配碎石、天然河砂制配而成，水泥、骨料、砂、水的配比為1∶1.92∶1.2∶0.4?；炷恋臉?biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度（28 d）為65 MPa，鋼筋混凝土板的底部設(shè)置鋼筋網(wǎng)（HRB 335 型鋼筋），混凝土表面與鋼筋外表面距離為2 cm。

將RC 板以螺栓錨固方式安裝在鋼梁組合框架上，鋼梁以螺栓為界將每塊RC 板分成3 塊區(qū)域，螺栓為高強(qiáng)螺栓M20（8 級(jí)），最小抗拉力為188.39 kN，能夠有效抵抗多次沖擊導(dǎo)致的板件移動(dòng)。澆筑板件前，模具端部以PVC 管預(yù)留螺栓孔，螺栓孔共6排，每排有8個(gè)螺栓孔。澆筑養(yǎng)護(hù)28 d，吊機(jī)將板件吊裝在框架結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置并裝配。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

該研究的試驗(yàn)方法采用擺錘沖擊和落錘沖擊，沖擊系統(tǒng)分別由錘頭、鋼架和剛性地面基座構(gòu)成，錘頭重122.5 kg，鋼架高7 m。擺錘沖擊中利用龍門吊把錘頭升到預(yù)定的沖擊高度，而后釋放錘頭。落錘沖擊中通過鋼架兩側(cè)導(dǎo)軌對(duì)重錘兩側(cè)滑輪運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行限制，先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確保每次沖擊的錘頭撞擊點(diǎn)不改變，垂直和斜向沖擊試驗(yàn)要在板件表面跨中位置設(shè)置固定承臺(tái)，以防擺錘沖擊使板件沖擊作用點(diǎn)受到?jīng)_擊裝置運(yùn)行與板件破損等的影響，試驗(yàn)裝置見圖1。按照預(yù)先數(shù)值對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，當(dāng)承臺(tái)邊長是10 cm 時(shí)，混凝土板的損傷分布與應(yīng)力分布未受邊界環(huán)境影響。所以，將承臺(tái)邊長設(shè)成10 cm。錘頭屬高強(qiáng)度鋼材，錘頭端裝有輪輻式傳感器，以記錄沖擊力的數(shù)值。

圖1 RC 板擺錘沖擊和落錘沖擊試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)方法

RC 板在低速?zèng)_擊下會(huì)同時(shí)出現(xiàn)整體變形與局部變形。試驗(yàn)時(shí)，于RC 板邊緣及沖擊點(diǎn)周圍安裝應(yīng)變片，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置有正交布置的兩個(gè)應(yīng)變片。將多個(gè)位移計(jì)沿板件的對(duì)稱線進(jìn)行布置，以對(duì)板件的底部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

沖擊總能量相同條件下，沖擊方案不同給RC板造成的累積損傷也不同。為此，在試驗(yàn)中，先垂直沖擊1 號(hào)RC 板，而后斜向沖擊，豎向沖擊、斜向沖擊的加載量都相同，且以板件中心為沖擊固定點(diǎn)。恒重沖擊中，混凝土累積損傷會(huì)隨沖擊次數(shù)的不斷增加而漸漸穩(wěn)定，沖擊能被混凝土損傷開裂吸收[10]。為進(jìn)一步加深每次沖擊后的混凝土損傷，研究初始損傷中RC 板的殘余抗沖擊性能，通過逐次遞增沖擊能量的方法進(jìn)行加載，預(yù)沖擊時(shí)為1 s～5 h，能夠壓實(shí)混凝土內(nèi)部的孔隙及微裂紋，防止因RC板的制作方式而影響試驗(yàn)。單次沖擊后要等到板件完全靜止方可加載下一級(jí)，沖擊次數(shù)要達(dá)到完全破壞RC 板，也就是RC 板的沖擊區(qū)表面存在大塊混凝土脫落和鋼筋裸露。

2 試驗(yàn)分析

RC 板件沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表1，表1 中分別描述了沖擊速度、試件跨中位移（試件表面變形），并通過動(dòng)能定量計(jì)算出沖擊能量。

表1 1 號(hào)板件垂直沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 鋼筋混凝土板面的變形及破壞情況

由表1 發(fā)現(xiàn)，沖擊次數(shù)越多，試件跨中位移越大，即試件下表面的變形越大。多次沖擊中，RC板件發(fā)生嚴(yán)重彎曲、凹陷變形，垂直沖擊下整體凹陷及彎曲變形均較斜向沖擊板件的變形程度大，但斜向沖擊板件損傷區(qū)域比較大，裂縫穿過螺栓且傳遞到?jīng)]有受到直接沖擊的板件。沖擊角度不同，沖擊力帶來的板件凹陷變形主要發(fā)生在受沖擊處。增加沖擊次數(shù)，RC 板件整體凹陷及彎曲變形程度隨之增大，板件裂紋發(fā)展加劇。

RC 板件裂紋由加載點(diǎn)向邊緣徑向發(fā)展，這表明斜向沖擊、豎向沖擊都能引發(fā)RC 板件彎曲響應(yīng)，與屈服線理論特征較為吻合[11]。試件薄弱區(qū)如孔洞等處集中出現(xiàn)裂紋，增加沖擊次數(shù)，試件的破壞程度也隨之加劇，裂縫則由邊緣向試件中部擴(kuò)展，直至形成貫通開裂。斜向沖擊下，提高沖擊速度會(huì)增加板抗沖擊荷載，而RC 板件的破壞方式也隨之改變，傾向于整體性的破壞。沖擊18 次時(shí)，斜向沖擊下的板件出現(xiàn)小塊的混凝土脫落，框架嚴(yán)重出現(xiàn)橫向擺動(dòng)，遂終止試驗(yàn)。

在斜向沖擊及豎向沖擊下，RC 板件變形存在如下特征：沖擊能量相等，斜向沖擊中部分能量會(huì)橫向傳遞，板件局部變形比較小，但斜向沖擊造成應(yīng)力波向板件右部混凝土傳遞，且在中跨板件上形成與能量傳遞方向相垂直的橫向裂縫，這表明斜向沖擊造成的破壞范圍最大，無法通過增加螺栓和減小跨度進(jìn)行預(yù)防。豎向沖擊下，板件表現(xiàn)出環(huán)形沖擊去屈服線裂縫，且最終產(chǎn)生沖切破壞。但斜向沖擊板件則呈現(xiàn)沖擊力傳遞路徑的橫向與徑向交叉裂縫，由于混凝土較大的橫向位移及碎裂使其退出工作狀態(tài)。

從沖擊角度看，沖擊角度越小，RC 板件的跨中位移也就越小，這是因?yàn)闆_擊角度變小，使更多的沖擊能量向RC 板件平面方向傳遞。若跨中位移越大，RC 板件的損傷也就越大。但因該試驗(yàn)的橫向約束比較大，橫向沖擊分力帶來的RC 板損傷未在豎向位移變化上體現(xiàn)出來。

2.2 沖擊力的時(shí)程變化規(guī)律

沖擊作用下，預(yù)加荷載鋼筋混凝土板的動(dòng)力響應(yīng)表明[12，13]，沖擊力時(shí)程曲線與配筋率的相關(guān)性較小，且具普遍性特征。在低速豎向沖擊下，混凝土板的沖擊力時(shí)程變化通常分成兩個(gè)階段，即板錘向下的運(yùn)動(dòng)階段與板錘向上運(yùn)動(dòng)的階段。板錘接觸板件后，其沖擊力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，板件向下加速變形，直到與板錘的速度相等，接觸力達(dá)到0，此過程對(duì)板件傳遞沖擊能量的效率進(jìn)行了反應(yīng)，即板件脆性越高，此過程就越短。板錘向上運(yùn)動(dòng)階段的時(shí)程變化顯示，減小板錘速度，且其速度是0 并向下達(dá)到最大位移，沖擊力達(dá)至第2 個(gè)峰值，板、錘隨即反彈，直到分離，此過程反映了RC板件對(duì)沖擊能量的吸收能力。通常來說，板件對(duì)沖擊能量的吸收效率會(huì)隨著能量吸收的累計(jì)而下降。RC 板吸收能量的過程越長，板件和錘頭之間轉(zhuǎn)移的能量也就越多；RC 板件的能量耗散率越低，其吸能過程就越長。

在沖擊力試驗(yàn)中，RC 板件碰撞持續(xù)時(shí)間均是4 ms，這表明，內(nèi)置鋼筋的RC 板件能夠更好地傳遞沖擊能量。波段時(shí)長由5 ms 提高到15 ms，RC板件初始損傷對(duì)板件吸能能力產(chǎn)生巨大影響。參照文獻(xiàn)資料[12]及試驗(yàn)結(jié)果得出，沖擊力峰值與速度間是非線性關(guān)系，增加沖擊次數(shù)，RC 板件損傷會(huì)增大，沖擊力越小，其吸能能力就越低。

當(dāng)?shù)? 波段無明顯下降段，或第2 波段無法區(qū)分時(shí)，可以利用沖擊時(shí)間判斷板件傳遞沖擊能量的能力。試驗(yàn)采用斜向沖擊和垂直沖擊兩種方式，板錘接觸面上的混凝土碎裂較少，沖擊力時(shí)程變化曲線初始階段無常見波動(dòng)段，為沖擊力峰值的確定提供了條件。在第15 次至18 次沖擊時(shí)，RC 板件沖擊面遭到破壞，此時(shí)力的時(shí)程變化曲線有輕度波動(dòng)，與文獻(xiàn)［13］結(jié)果較為吻合，這證明垂直沖擊試驗(yàn)的設(shè)計(jì)較為合理。

在斜向沖擊試驗(yàn)中，板、錘運(yùn)動(dòng)及變化規(guī)律類似垂直沖擊，波動(dòng)更大。由于斜向沖擊中，板、錘向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且板、錘作用在板件的時(shí)長較落錘時(shí)的作用時(shí)長多10 倍，沖擊能量沿著平面?zhèn)鬟f耗時(shí)更長，板、錘接觸的時(shí)間越長，其吸能效率就會(huì)越小。試件破壞階段，由于斜向沖擊中錘頭撞擊了鋼制承臺(tái)，避免了沖擊測(cè)量受混凝土碎裂的影響，使斜向沖擊峰值的荷載較豎向沖擊大，這也驗(yàn)證了第12 次沖擊中混凝土出現(xiàn)了碎裂，對(duì)沖擊力失去抵抗?？梢?，在RC 板件沖擊試驗(yàn)中，斜向沖擊帶來的影響會(huì)更復(fù)雜。

2.3 RC 板件的吸能變化

沖擊試驗(yàn)中，RC 板件沖擊延性指數(shù)都是3，說明試驗(yàn)中的RC 板件初始吸能能力比較一致。沖擊能量是通過混凝土開裂和鋼筋屈服方式被耗散和吸收，高強(qiáng)螺栓的落錘反彈損失和吸能損失都較小。落錘沖擊中，RC 板件會(huì)彎曲變形，明顯出現(xiàn)整體響應(yīng)[13]。多次沖擊后，RC 板件局部出現(xiàn)變形，并吸收大量能力。在沖擊過程中，RC 板件最大位移同沖擊總能量呈正相關(guān)，殘余位移和吸收總能量呈正相關(guān)。所以，RC 板件的沖擊能量吸收率與殘余位移/位移最大值相關(guān)。

2.4 RC 板件損傷后的抗沖擊性

沖擊試驗(yàn)表明，每次沖擊中，RC 板件損傷都會(huì)影響其抗沖切承載力。同一RC 板件，無論沖擊次數(shù)多少，低速?zèng)_擊的RC 板件破壞后吸收的總能量均較為相近。RC 板件吸收能與損傷間存在相關(guān)性，增加沖擊次數(shù)會(huì)加速RC 板件損傷，RC 板件的破壞程度可以通過殘余位移同最后一次殘余位移的比值進(jìn)行衡量，但此比值不同于混凝土的損傷率。增加沖擊力，RC 板件破壞率也呈指數(shù)級(jí)上升，增勢(shì)較為穩(wěn)定。增加沖擊次數(shù)，對(duì)應(yīng)沖擊速度及沖擊力隨之增大，累積損傷的不斷增多，其破壞性也逐漸嚴(yán)重?？梢?，如果RC 板件的破壞程度較大，并對(duì)其進(jìn)行小能量沖擊，板件變形對(duì)現(xiàn)有損傷分布比較依賴，結(jié)果就是缺乏規(guī)律性。所以，能量遞增式多次沖擊法更利于研究RC板件的沖擊性能。

3 結(jié)語

通過沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加沖擊能量后RC 板件更易出現(xiàn)局部凹陷變形，產(chǎn)生沖切破壞。斜向沖擊產(chǎn)生的RC板件局部變形小于豎向沖擊導(dǎo)致的變形，但其造成的板件損害面積非常大，產(chǎn)生的沖擊相應(yīng)也比較復(fù)雜，更無法預(yù)測(cè)RC 板件沖擊下的破壞模式。增加沖擊能力，RC 板件的吸收總能量也增加，吸能能力卻降低。而低速?zèng)_擊下，相同RC板件破壞后的吸收能力也相似。此研究對(duì)評(píng)估RC板損傷承擔(dān)及預(yù)測(cè)RC板壽命等具有一定意義。