鋼筋混凝土梁沖擊響應(yīng)的有限元分析

王中泉　楊永輝

摘要：為了研究普通鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下的應(yīng)力與位移分布規(guī)律，本文采用非線性有限元分析軟件Abaqus建立了鋼筋混凝土梁的有限元分析模型，結(jié)合試驗測得的混凝土與鋼筋材料的力學(xué)性能參數(shù)分析了鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下應(yīng)力場與位移場分布情況。結(jié)果表明，梁側(cè)面最大拉應(yīng)變區(qū)域與梁出現(xiàn)裂縫的區(qū)域相同，其破壞規(guī)律可用最大伸長線應(yīng)變理論進行解釋。

Abstract：? In order to study the stress and displacement distribution of ordinary reinforced concrete beams under impact loading， the finite element analysis model of reinforced concrete beams is established by using nonlinear finite element analysis software Abaqus. The distribution of stress field and displacement field of reinforced concrete beams under impact loading is analyzed by combining with the mechanical properties parameters of the concrete and steel materials. The results show that the maximum tensile strain area on the side of the beam is the same as the cracked area in the beam， and the failure law can be explained by the maximum elongation line strain theory.

關(guān)鍵詞：混凝土梁;沖擊荷載;顯式動力學(xué);有限元分析

Key words： concrete beam;impact load;explicit dynamics;finite element analysis

中圖分類號：TU375.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0276-02

0? 引言

研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下破壞規(guī)律對于高烈度山區(qū)生命線工程[1]的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。目前中、美、英等國的設(shè)計規(guī)范均對橋墩防撞設(shè)計作出了相關(guān)規(guī)定，然而各國規(guī)范大都采用簡單的靜力設(shè)計法，沒有考慮橋墩剛度、延性等參數(shù)對撞擊力的影響。同時因為路面的不平順性，行駛在路面的汽車荷載可能會對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力沖擊作用。

宋敏等[2]在鋼筋三折線本構(gòu)模型中引入應(yīng)變率效應(yīng)，對鋼筋混凝土梁在不同高度沖擊下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬，分析結(jié)果表明，增大配筋率能夠提高梁的承載能力，但隨沖擊速度的增大，配筋率對梁抗變形能力的增強效果逐漸減弱。周曉宇等[3]以一座大跨斜拉橋鋼筋混凝土橋面板為研究對象進行落物沖擊分析，得到重型貨物墜落沖擊鋼筋混凝土橋面板的破壞機理為壓縮應(yīng)力波背側(cè)發(fā)射造成的局部混凝土開裂，橋面板整體響應(yīng)不顯著的結(jié)論。葛照才[4]以固支的圓板為例，分析了荷載大小和作用時間對板動力響應(yīng)的影響。

本文采用鋼筋-混凝土分離式建模技術(shù)對配筋混凝土梁進行三點彎曲數(shù)值模擬，分別分析鋼筋和混凝土梁在沖擊荷載作用下應(yīng)力的分布規(guī)律。

1? 材料與模型

本試驗所用混凝土設(shè)計強度等級為C35，其配合比如表1所示。澆注16個100mm×100mm×100mm立方體試塊，測定混凝土的單軸壓縮強度。

本文模擬如圖1所示鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下的應(yīng)力場的分布規(guī)律，其中縱向鋼筋采用直徑d=8mm的HRB400級鋼筋，鼓勁采用直徑d=6mm的HRB300級鋼筋。

采用ABAQUS有限元分析軟件建立鋼筋混凝土梁有限元分析模型，其中混凝土材料參數(shù)采用基于C35混凝土試驗參數(shù)的損傷塑性模型;鋼筋采用理想彈塑性模型。采用顯式（Explicit）算法，混凝土采用減縮積分的八結(jié)點線性六面體單元，鋼筋采用三維桁架單元，鋼筋混凝土梁三維有限元模型如圖2所示。

2? 結(jié)果

簡支鋼筋混凝土梁在30kg沖擊荷載作用下，在跨中產(chǎn)生自拉伸區(qū)域向壓縮區(qū)域擴展的裂縫，底部裂縫寬度最大，向上逐漸減小，如圖3所示。

有限元分析時采用相同質(zhì)量的荷載，并以相同的速度的沖擊荷載作用于混凝土上，可得到混凝土與鋼筋骨架的應(yīng)力分布云圖。

圖4為鋼筋混凝土梁的三維立體模型的Mises等效應(yīng)力圖，用于判斷最危險截面。上方圓柱體為落錘模擬部件，在落錘沖擊后，受到?jīng)_擊部位和下方左右支撐部位有顯著的應(yīng)力變化。

圖5為混凝土梁最大拉應(yīng)變分布云圖，梁中部區(qū)域出現(xiàn)最大應(yīng)變，根據(jù)混凝土破壞的第二強度理論，該區(qū)域出現(xiàn)破壞;此結(jié)果與圖3所示實驗結(jié)果相同。

圖6為混凝土梁內(nèi)部鋼筋骨架水平向正應(yīng)力分布云圖，結(jié)果表明，下側(cè)縱向鋼筋受拉，上側(cè)縱向鋼筋受壓;其分布規(guī)律與簡支梁在準靜態(tài)集中荷載作用下的分布規(guī)律相同。

3? 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方面對鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能展開研究，分析結(jié)果表明：在沖擊過程中，當沖擊部位位于梁體中間時，受到?jīng)_擊后梁體因超過材料的最大拉應(yīng)變極限而產(chǎn)生裂縫。梁體發(fā)生向上撓曲變形，梁上部受力部位與兩側(cè)支撐部位有明顯的應(yīng)力變化，梁下部呈現(xiàn)大面積的拉應(yīng)力，上部中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

參考文獻：

[1]徐丹，王濤，F(xiàn)ERNANDO Moreu.防撞梁在超高車輛撞擊鐵路橋梁中的防撞性能研究[J].世界地震工程，2018，34（04）：136-142.

[2]宋敏，王志勇，閆曉鵬，王志華.落錘沖擊下鋼筋混凝土梁響應(yīng)及破壞的數(shù)值模擬[J].高壓物理學(xué)報，2018，32（03）：60-67.

[3]周曉宇，馬如進，陳艾榮.行車落物沖擊下鋼筋混凝土橋面板的安全性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，46（04）：137-145.

[4]葛照才.沖擊荷載作用下鋼筋混凝土板的動力性能研究[J].山西建筑，2015，41（07）：35-36.