沖擊載荷下素混凝土梁力學(xué)性能影響因素分析①

王 偉，李雨城,孫 強(qiáng)

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601;2.安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

實(shí)際工程中素混凝土梁并不多見，大部分受彎結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土結(jié)合的形式，但素混凝土梁依舊有研究?jī)r(jià)值。即使針對(duì)單一材料，不同應(yīng)力狀態(tài)下也可以有迥異的破壞形式，但從宏觀尺度觀察，混凝土屬于典型脆性材料。素混凝土梁除去準(zhǔn)靜態(tài)載荷的影響外，還可能經(jīng)常受到?jīng)_擊，爆炸等瞬時(shí)載荷作用[1]。故研究素混凝土梁在沖擊載荷下的脆性破壞很有實(shí)際意義?；诖朔N問題，本文通過Johnson-Cook計(jì)算模型[2]，研究素混凝土梁承受跨中豎向沖擊載荷時(shí)的力學(xué)響應(yīng)。

1 Johnson-Cook計(jì)算模型

Johnson-Cook計(jì)算模型[3]的描述如下：

式中:σ*為歸一化等效強(qiáng)度，且σ*=σ/fc′，σ為真實(shí)等效強(qiáng)度，fc′為準(zhǔn)靜態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度;P*為歸一化壓力，且P*=P/fc′,P為真實(shí)壓力;D(0D1)為損傷因子;為等效應(yīng)變率，且為真實(shí)應(yīng)變率，為參考應(yīng)變率;A為歸一化黏聚強(qiáng)度;B為歸一化壓力硬化系數(shù);N為壓力硬化指數(shù);C為應(yīng)變率系數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型工況

素混凝土梁跨中作用有鐵砧豎向沖擊載荷，初始參數(shù)素混凝土梁長(zhǎng)114mm,截面為20mm×20mm跨中直角缺口尺寸為9.32mm，其上鐵砧質(zhì)量為1.5kg，沖擊速度為2.5m/s，梁底端部鉸支，如圖1所示：

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 網(wǎng)格劃分，邊界條件及計(jì)算

采用線性減縮積分單元，正六面體網(wǎng)格，中性軸算法劃分網(wǎng)格；在顯式動(dòng)力學(xué)分析步設(shè)置接觸類型為面面接觸，有限滑移；鐵砧，梁頂面分別為主從面；采用罰函數(shù)接觸算法[4]。最終計(jì)算所得Mises應(yīng)力云圖如圖2：

圖2 Mises應(yīng)力云圖

3 素混凝土梁參數(shù)對(duì)比分析

從微觀角度可以解釋混凝土材料的破壞是由于內(nèi)部微裂縫的發(fā)展[5]，宏觀層面更好的方法是引入損傷因子與等效強(qiáng)度作為材料損傷演化指標(biāo)[6]。

考慮不同素混凝土梁抗壓強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)等效強(qiáng)度σ的影響見表1。

表1 不同素混凝土梁抗壓強(qiáng)度等級(jí)下的等效強(qiáng)度σ

考慮不同截面尺寸，對(duì)等效強(qiáng)度σ的影響見表2。

表2 不同素混凝土梁截面尺寸下的等效強(qiáng)度σ

考慮不同支承條件，對(duì)等效強(qiáng)度σ的影響見表3。

表3 不同素混凝土梁支承條件下的等效強(qiáng)度σ

等效強(qiáng)度數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果在考慮不同素混凝土梁抗壓強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，所得對(duì)比曲線如圖3:

圖3 等效強(qiáng)度數(shù)值與理論結(jié)果隨素混凝土梁抗壓

強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)比曲線

4 結(jié) 語

1)采用數(shù)值計(jì)算方法所得沖擊載荷下素混凝土梁力學(xué)響應(yīng)與理論計(jì)算結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

2)混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)，素混凝土梁橫截面尺寸的增大，對(duì)于素混凝土梁受沖擊載荷時(shí)均有較大提升作用，實(shí)際應(yīng)用可綜合經(jīng)濟(jì)性等其他因素，靈活選取結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

3)素混凝土梁受沖擊載荷時(shí)的力學(xué)性能隨著邊界約束的加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)較大提升，工程中應(yīng)重視邊界條件的加強(qiáng)。