沖擊荷載下RC梁的力學性能研究進展

2020-08-06 03:04:40汪祥宇周錫武張文超

鐵道勘察 2020年4期

汪祥宇周錫武張穩張文超

(佛山科學技術學院，廣東佛山 528000)

沖擊是混凝土結構所受動荷載中一種較為危險的荷載形式，在沖擊荷載作用下，會造成鋼筋混凝土結構破壞乃至失效，從而導致人員傷亡和財產損失[1]。地震、海嘯、泥石流、等自然災害以及爆炸產生的沖擊波、船撞橋、飛機失事撞擊高樓、車輛撞擊等人為災害都屬于沖擊荷載造成損害的范疇。

沖擊荷載下結構的動態力學性能與靜態力學性存在較大的差異，受應變率效應、應力波效應、慣性力效應以及剪切效應的共同作用，鋼筋混凝土結構的力學行為變得更加復雜[2-3]。目前的結構設計多以靜態力學設計為主，對動力荷載一般采用經驗法、等效靜力法和擴大容許應力法等，但這些方法都難以精確的預測鋼筋混凝土梁的抗沖擊能力[4-6]。如何保障結構在強動力荷載下不被破壞，開展鋼筋混凝土結構抗沖擊性能的研究，是當前土木學科研究的重點。

動態響應和力學行為是梁體抗沖擊性能的體現，目前，已有關于沖擊力、支反力、慣性力、應變、撓度、裂縫開展、破壞模式，以及局部響應等方面的研究[9-12]。其中，很多學者把沖擊力、支反力和撓度作為梁構件抗沖擊承載力特征值的評價標準，然而，后續的研究者發現，三者在一定程度上可以體現梁的抗沖擊性能，但作為抗沖擊承載力的特征值并不準確[20-23]。

研究沖擊荷載下梁的力學性能以及抗沖擊設計是沖擊力學實驗最主要的目標，以下總結了大量研究者關于梁在沖擊荷載下的理論與實驗研究以及相關的數值模擬，并對研究者的研究結果進行討論[57-59]，以期對沖擊作用下梁的力學性能研究尋找方向。

1 沖擊作用下梁的四大效應

沖擊荷載具有時程短、作用集中等特點，撞擊體與梁接觸過程中會產生明顯的作用效應，包括應變率效應、應力波效應、慣性力效應、剪切效應，這些效應共同影響著梁在沖擊荷載下的動態響應及力學行為。

1.1 應變率效應

應變率是指應變隨時間的變化速率，也稱為材料的率敏感性，是影響鋼筋混凝土構件動態本構的重要因素。在沖擊荷載下，須考慮梁體鋼筋和混凝土兩種材料的應變率效應。

早在1905年，Hopkinhon.B發現鋼材在高應變率下的強度至少是低應變率下的2倍以上。Soroushian[1]對鋼材的應變率效應進行了分析，認為鋼材的彈性模量不受應變率變化的影響。另外有學者提出，鋼筋類型對應變率的影響較小，反復加載下，鋼材依然具有應變率效應，但進入強化階段應變率效應就不明顯，高溫對材料的影響大于應變率對材料的影響[2-5]。

1917年，Abram[6]發現了混凝土的應變率效應。此后， Bischoff和perry[7]對混凝土動態受壓進行了總結，認為在應變率增長界線內，混凝土的單軸抗壓強度隨應變率的增長而提高，其提高幅度主要取決于混凝土的靜力強度和應變率。也有研究者發現，混凝土的受拉強度隨應變率的增長而明顯提高，應變率對彈性模量和泊松比沒有影響[8-9]。歐洲混凝土協會(簡稱CEB)在2010年修正了動力加載下混凝土抗拉和抗壓強度的應變率效應的計算公式[10]

抗拉：

(1)

其中，fct.imp為動力加載時的混凝土抗拉強度，fctm為靜力加載時的混凝土抗拉強度，εct為材料應變率，εcto為靜力加載時的應變率值。適用范圍為10-6～300 s-1。

抗壓：

(2)

其中，fc.imp為動力加載時的混凝土抗壓強度，fcm為靜力加載時的混凝土抗壓強度，εc為材料應變率，εco為靜力加載時的應變率值。適用范圍為-30×10-6～300 s-1。

在沖擊荷載下，梁的應變率效應主要體現在梁錘接觸區域的局部受壓，梁底部縱向鋼筋和混凝土的受拉，以及斜截面箍筋和混凝土的抗剪。

1.2 應力波效應

沖擊應力波是應力和應變變化而引起的擾動以波的形式在固體中的傳播，當載荷作用的時間與應力波傳過物體特征尺寸的時間在同一數量級或更小時，需要考慮應力波的影響[11]。沖擊荷載作用下，動荷載以能量的形式作用到梁上，除了沖擊作用點耗能以外，其他能量均以應力波的形式向四周擴散，在梁短邊和高度方向上由于距離較短，應力波作用時間可以忽略不計；在梁長度方向上，由于距離較遠，應力波的作用時間較長，往往應力波還沒傳到梁支座，沖擊力峰值已經出現，且應力波傳播過程中，慣性力效應也隨著應力波的傳播向梁兩端分布。若不考慮應力波的傳播，對高速沖擊作用下梁的力學性能分析將會產生嚴重偏差[12]。關于應力波效應和應變率效應的主要實驗裝置為霍普金森桿(如圖1所示)。

圖1 分離式霍普金森實驗裝置

1.3 慣性力效應

慣性力效應是指沖擊作用下，落錘的動能轉化為梁體向下的加速度，進而產生向上的慣性力，慣性力也會影響梁的動態力學性能。Bentur[13]發現，在沖擊力達到峰值時，慣性力占沖擊力峰值的2/3以上。也有學者發現，沖擊速度對結構的動態響應主要由梁體自身的慣性力所引起；在高速沖擊下，結構的慣性效應占主導作用；在局部響應階段，梁的沖擊力完全由慣性力所抵抗，故梁的破壞損傷主要集中在局部響應階段[14-16]。其影響過程為：在沖擊開始時，荷載所傳遞的動能通過梁本身來儲存和梁體損傷來消耗，這時慣性力效應發揮作用，慣性力隨應力波向梁兩端傳播，儲存的能量轉化為梁體向下的加速度，使梁在凈跨范圍內向下移動，又通過梁體變形和裂縫展開來消耗，當梁體加速度為零時慣性力消失。

慣性力在梁長度方向上一般呈曲線或三角形分布，許斌和竇國欽[17-18]通過在梁體布置加速度傳感器測得梁的加速度時程，加速度曲線如圖2所示；趙武超和Thong M[19-20]采用數值模擬和經驗公式推導，認為梁的剪切效應明顯，在局部響應階段梁沿長度方向慣性力分布如圖3所示。

圖2 慣性力呈曲線分布

圖3 慣性力呈三角形分布

1.4 剪切效應

剪切效應是指在靜載下發生彎曲破壞的梁，在沖擊荷載下也有可能發生剪切破壞，梁所受到的彎矩和剪力隨著加載形式的不同而發生改變。影響梁剪切效應的因素包括沖擊速度、接觸剛度、梁截面厚度以及梁凈跨和懸臂長度等。剪切效應主要作用在梁的局部響應階段，一方面，由于沖擊荷載的瞬時特性，在局部響應還未結束之前，沖擊荷載未能向梁兩端傳播，主要由沖擊作用區域承擔，梁所受到的剪力也集中在此區域，故易造成剪切破壞[21]。另一方面，跨度較小的梁在沖擊荷載下會產生負向支座反力，且梁跨內會有反彎點的存在，這有效降低了梁所受到的彎矩，很大程度上提高了梁剪切破壞發生的可能[19]。因此，應提高梁構件的在沖擊作用下的抗剪承載力，以滿足可靠性要求。

總之，在梁的沖擊試驗中，四類效應共同影響著梁的動態響應及力學行為，在不同的實驗工況中，這些效應影響效果的強弱也各不相同。

2 沖擊荷載下梁的力學性能

動態響應和力學行為是梁沖擊力學性能的體現，動態響應過程可分為局部響應階段、整體響應階段、回彈變形階段[22]。局部響應階段是梁發生破壞的主要階段，整體響應階段、回彈變形階段主要體現梁的裂縫發展和位移變形。梁的力學行為包括梁沖擊力、支反力、撓度等，可以定性以及定量的分析梁的沖擊性能，可用于評估沖擊荷載下梁的可靠性。

2.1 力學行為與沖擊承載力特征值關系

梁的沖擊力學行為可描述為沖擊力、支反力、慣性力、應變、撓度等隨時程變化，是梁在沖擊荷載下最直觀的力學性能體現，以下就力學行為與沖擊承載力特征值關系進行總結探討。

作為構件沖擊作用最直觀的定量表達，沖擊力等效靜載承載力已經運用到實際工程中，并提出了相應的沖擊力計算公式[19，23，34]，然而，通過實驗發現，在沖擊過程中，沖擊力到達峰值時試件才開始發生位移，試件除局部外并未出現較大的損傷，沖擊力轉化為相應的慣性力和支反力，故用沖擊力表達抗沖擊承載力特征值并不準確[25]。

Soleimani[26]認為，鋼筋混凝土梁在沖擊荷載下的支座反力能間接真實地反映梁的截面彎矩。Kishi N[27]通過實驗對比，發現采用支座反力比采用沖擊力最大值更合理；許斌[28]通過落錘沖擊試驗，發現在沖擊過程中，當支座反力達到第一個峰值時慣性力較大，且兩者方向相反，支座反力有一部分被慣性力所平衡；當沖擊速度到達一定值后，支反力不再隨沖擊速度的提高而增大[29]。故采用支座反力表達抗沖擊承載力也不準確。

研究者們[30-32]還進行了大量梁的落錘沖擊試驗，通過采用殘余撓度控制梁的破壞，得到了梁的抗沖擊承載力的經驗公式，但由于梁在沖擊荷載下破壞狀態復雜，且梁的破壞模式也會影響撓度變化，經驗公式和容許撓度的定量相對保守。因此，采用殘余撓度描述梁抗沖擊承載力也不是一種合適的表述方式。

慣性力是梁體受沖擊作用自身加速度的體現，在沖擊過程中，支反力還未出現，沖擊力完全轉化為慣性力，此時達到慣性力峰值，梁體以最大的加速度下降，在慣性力消失時，梁體并未達到極限承載力[25]，故采用慣性力表示梁的抗沖擊承載力力特征值也不恰當。

鋼筋應變達到屈服也是梁構件達到極限承載力的標志，由于局部破壞的影響，跨中受壓區混凝土最先破壞，按照靜載計算，其抗彎承載力顯著降低，沖擊速度越大，局部破壞越嚴重，鋼筋屈服也相對延后，甚至梁破壞后，鋼筋也未達到完全屈服[33]。因此，采用鋼筋應變屈服極限表示梁的抗沖擊力特征值也不準確。

盡管梁受沖擊作用所得到的沖擊力，支反力等作為梁的抗沖擊承載力特征值并不恰當，但這些力學特征在一定程度上體現了梁的抗沖擊能力。大量實驗說明，沖擊力峰值增大、慣性力峰值增大、支座反力峰值增大、鋼筋屈服應變提高、跨中位移峰值減小，梁的抗沖擊力也隨之提高，關于梁的抗沖擊承載力特征值的描述可以采用多因素共同控制，但其組合方式需要進一步深入研究。

2.2 梁的局部破壞

王明洋等[34-35]通過研究接觸類型對局部破壞的影響，認為錘頭類型、接觸剛度對整體損傷的影響相對較小，但對局部損傷有較大的影響。余芳和付應乾[36-37]通過實驗，發現沖擊速度越大，梁的局部損傷越大。趙武超[47]認為只有在局部響應階段梁不發生剪切破壞的前提下，才能保證整體響應階段的彎曲破壞，同時局部響應階段的損傷程度也會對整體響應階段的承載能力產生影響。但局部響應階段在瞬時發生，很難被捕捉，故該部分的內容須進一步研究。

鋼筋混凝土梁破壞模式的改變主要與沖擊速度，梁自身抗剪、抗彎能力以及剪切效應等有關。文獻[38-40]進行了鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗研究，發現不同的沖擊速度會導致不同的破壞模式。鋼筋混凝土梁在低速沖擊下發生彎曲破壞，而在高速沖擊下卻發生剪切破壞。文獻[21，41，42]研究了箍筋配筋率變化對沖擊破壞模式的影響，在沖擊荷載作用下，無論梁發生剪切破壞還是彎曲破壞，剪切機制都發揮著重要作用；隨著配箍率的增大，梁從剪切破壞向彎曲破壞轉變，裂縫也會相應減少。文獻[43-44]研究了縱筋配筋率對梁沖擊破壞模式的影響，發現隨著配筋率的提高，梁會由彎曲破壞向剪切破壞轉變。

梁體裂縫可分為3部分：局部破壞產生的裂縫、底部受彎裂縫、剪切裂縫。局部破壞的程度以及破壞模式的轉變對梁裂縫的開展具有重要影響。沖擊荷載下，梁的裂縫多集中在碰撞區域，支座處一般為斜裂縫，且產生時間晚于碰撞區域[17，25，28]。

2.3 數值模擬以及理論分析

梁受到的動載作用為非線性，在數值模擬過程中，通常采用有限元LS-DYNA以及ABAQUS的顯示算法來計算梁的沖擊問題。目前，碰撞混凝土本構模型一般選用HJC模型以及彈塑性損傷帽蓋模型[45-46]，鋼筋本構模型可采用雙線性彈塑性以及彈塑性隨動強化模型等。數值分析一般用于試驗工況難以研究和相對繁雜的內容或對比實驗結果是否準確，如趙武超[47]通過數值模擬，研究梁錘的接觸剛度，錘頭類型等對梁沖擊力學性能的影響，并提出了損傷因子的概念；宋敏[43]在數值模擬中考慮了應變率效應，對高速沖擊下梁的力學行為進行研究。

理論研究一般會涉及到碰撞模型的選擇，Feldman[48]提出混凝土梁在沖擊作用下抗彎計算的SDOF模型，被后續研究者[49]廣泛用于分析沖擊荷載下梁的動態響應以及梁在沖擊荷載作用下的損傷評估。在此基礎上，歐洲混凝土委員會(CEB)提出了單質點和雙質點模型，但這幾種模型均沒有涉及應力波的傳播以及慣性力效應。因此，在一些需要考慮慣性力效應以及應力波效應的實驗中，該模型并不準確。

剛塑性模型也是碰撞理論計算的一種常見模型，將受沖擊荷載的梁簡化成理想剛塑性體，即忽略梁的彈性變形階段以及應變強化效應和應變率效應。模型簡化有一定的合理性，因為在沖擊作用下，荷載所做的功大部分轉化為梁的塑性變形能(在塑性變形階段被消耗掉)，而彈性變形只承受很少一部分荷載所做的功，對整體計算而言，忽略此部分能量并不會造成較大的誤差，且大大簡化了沖擊過程中的數學以及物理計算[50]。在剛塑性模型運用的基礎上，學者們又提出了塑性鉸的概念：當梁所承受的彎矩大于或等于極限彎矩時，表明梁已經屈服，且梁跨內的曲率可以無限增大，相應的截面可以隨意轉動，像一個鉸一樣。塑性鉸的形成和位置對梁的沖擊力學行為有較大的影響[51]。但剛塑性模型在應變率效應明顯以及彈性恢復力較大的構件中并不適用。

其他方面，宋春明等[52]對半無限粘彈性混凝土梁進行低速撞擊試驗，考慮了撞擊對局部損傷的影響，建立了局部損傷與整體變形的關系式，推導梁在低速沖擊下的撞擊力和跨中撓度計算公式。王明洋[53]研究錘頭形狀對梁局部響應的影響，對梁在沖擊破壞過程中的彈塑性和塑性階段階段建立沖擊簡化模型，得到梁在低速沖擊下的計算公式。周澤平[54]推導出梁在沖擊過程中所處的不同階段的變形剛度，利用拉格朗日方程推導梁在彈性和塑性階段的運動方程。李智[55]對沖擊受損后梁的力學性能進行研究，擬合出沖擊受損后梁的殘余承載力和殘余剛度公式。