鋼筋混凝土梁沖擊響應的有限元分析

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力與位移分布規律，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，結合試驗測得的混凝土與鋼筋材料的力學性能參數分析了鋼筋混凝土梁在沖擊荷載作用下應力場與位移場分布情況。結果表明，梁側面最大拉應變區域與梁出現裂縫的區域相同，其破壞規律可用最大伸長線應變理論進行解釋。

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.

關鍵詞：混凝土梁;沖擊荷載;顯式動力學;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

研究鋼筋混凝土結構在沖擊荷載作用下破壞規律對于高烈度山區生命線工程[1]的防災減災具有重要意義。目前中、美、英等國的設計規范均對橋墩防撞設計作出了相關規定，然而各國規范大都采用簡單的靜力設計法，沒有考慮橋墩剛度、延性等參數對撞擊力的影響。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構產生動力沖擊作用。

宋敏等[2]在鋼筋三折線本構模型中引入應變率效應，對鋼筋混凝土梁在不同高度沖擊下的結構響應進行了數值模擬，分析結果表明，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力波背側發射造成的局部混凝土開裂，橋面板整體響應不顯著的結論。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的影響。

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

1? 材料與模型

本試驗所用混凝土設計強度等級為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力場的分布規律，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采用基于C35混凝土試驗參數的損傷塑性模型;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? 結果

簡支鋼筋混凝土梁在30kg沖擊荷載作用下，在跨中產生自拉伸區域向壓縮區域擴展的裂縫，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，受到沖擊部位和下方左右支撐部位有顯著的應力變化。

圖5為混凝土梁最大拉應變分布云圖，梁中部區域出現最大應變，根據混凝土破壞的第二強度理論，該區域出現破壞;此結果與圖3所示實驗結果相同。

圖6為混凝土梁內部鋼筋骨架水平向正應力分布云圖，結果表明，下側縱向鋼筋受拉，上側縱向鋼筋受壓;其分布規律與簡支梁在準靜態集中荷載作用下的分布規律相同。

3? 結論

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

參考文獻：

[1]徐丹，王濤，FERNANDO 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及破壞的數值模擬[J].高壓物理學報，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].華南理工大學學報（自然科學版），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.