RC梁冲击破坏机理试验研究与残余变形预测方法探讨.docx

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1、摘要：进行了3根剪跨比为3.58钢筋混凝土梁的落锤冲击试验和1个静力对比试验，重点研究钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏机理和冲击能量对钢筋混凝土梁残余变形的影响规律.试验结果表明，在静力下发生弯曲破坏的梁在低速冲击下的裂缝形态以弯曲裂缝、弯剪裂缝为主，在高速冲击荷载作用下以腹剪裂缝为主.试验测试了冲击力、支座反力、跨中位移和跨中纵筋应变等动态时程曲线，通过分析其动态时程曲线结果，获得了钢筋混凝土梁的冲击破坏机理，即冲击作用下梁的破坏过程分为局部响应阶段和整体响应阶段.同时，还统计了国内外相关文献冲击试验结果，通过比较分析钢筋混凝土残余变形冲击能量关系实验数据，探讨了冲击荷载作用下钢筋混凝土梁

2、残余变形的经验公式的适用性和存在的问题.关键词：钢筋混凝土梁；冲击试验；动态响应；残余变形由于全球范围内的恐怖袭击事件日益增多，煤气爆炸和其它撞击事故也逐渐引起关注，因此，亟需合理的结构抗冲击荷载设计和评估方法，进行合理的冲击试验对改进结构的抗冲击设计方法尤为重要.研究和认识结构在冲击荷载作用下的响应是进行结构抗冲击设计的基础，国内外研究者已经对钢筋混凝土结构在极端荷载（如地震、爆炸和冲击荷载等）作用下的受力性能开展了研究.由于材料的应变率敏感性12、构件的惯性效应和构件冲击区域的局部破坏变形，冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的受力性能与静力荷载作用下明显不同，国外学者从不同的角度对梁的冲击过程进行

3、了研究.Rajagopalan等3研究了反复低能量冲击下钢筋混凝土梁抗弯刚度的退化，并给出了抗弯刚度退化的理论计算方法Eentur等4对落锤试验中梁体的加速度进行了测量，结果表明，在冲击初始阶段钢筋混凝土梁的加速度很大，此阶段冲击力由惯性力抵抗.Kishi等5试验研究表明，可以采用最大支座反力评估冲击作用下钢筋混凝土简支梁受弯破坏极限承载力，并用平行四边形的简化模型来描述支座反力与跨中位移的关系，进一步提出了钢筋混凝土梁抗冲击设计所需求的静态承载力的经验计算公式QhnUma等6完成了18根钢筋混凝土梁的落锤冲击试验，研究发现不同的冲击速度会导致不同的破坏模式：钢筋混凝土梁在低速冲击下发生弯曲破

4、坏，而在高速冲击下却发生剪切破坏.Saatci等7完成了8根口筋混凝土梁的冲击试验，通过对破坏形态及裂缝分布的分析，发现冲击荷载下不管梁是发生弯曲破坏还是剪切破坏，剪切机制都发挥重要作用Fujikake等8对3种不同纵筋配筋率的混凝土梁进行不同冲击高度的冲击试验，并提出了用于估算梁的最大跨中位移的计算模型，用双自由度质量弹簧阻尼系统模型对弯曲破坏类型的混凝土梁的动态行为进行分析，分析结果与试验结果吻合较好.许斌等9对钢筋混凝土梁的抗冲击性能也进行了研究.国内外学者对钢筋混凝土梁抗冲击设计方法也进行了研究.王明洋等10将钢筋混凝土梁的抗冲击响应划分为准弹性阶段和塑形阶段来建立简化模型，由此提出了

5、低速冲击下梁抗冲击响应的计算方法.Kishi等11对27根无腹筋钢筋混凝土梁进行了冲击试验,考虑的参数包括剪跨比和冲击速度（15ms）,提出了抗冲击设计时无腹筋梁所需的静态抗剪承载力与冲击能量和残余变形的经验公式.Tachibana等12进行了一系列的静态下受弯破坏梁的冲击试验，通过对试验数据的分析得到了各冲击特征参数的经验关系式，同时提出了基于冲击能量与静态抗弯承载力的跨中最大位移计算公式，建立了钢筋混凝土梁在冲击荷载下基于性能的设计方法.Kishi等13进行了36根不同截面、不同剪跨比的钢筋混凝土梁冲击试验，以跨中最大变形和跨中残余变形为衡量标准提出了抗冲击设计方法，并提出了预测跨中残余变

6、形的经验公式.赵德博等14对钢筋混凝土梁的抗冲击性能和设计方法进行了研究.就目前研究情况来看，国内外学者对冲击荷载作用下梁的试验研究主要集中在以下几个方面：冲击下梁的抗弯抗剪设计方法35、梁的反应特点6-7（如裂缝形态、冲击力支座反力时程）及其影响因素8-9（冲击能量、配筋变化等）、抗冲击设计方法10-14等方面.国内外对冲击过程中梁的破坏机理研究较为缺乏，因此本试验进行了3根钢筋混凝土梁的落锤冲击试验，研究了冲击过程中冲击力、支座反力、跨中位移以及纵筋应变时程曲线，重点分析了梁在冲击荷载下的破坏机理.国内外学者在各自的试验基础之上提出了相关的抗冲击设计方法并拟合得到了经验公式.本试验在将试验

7、结果与经验公式进行验证的过程中，发现经验公式所存在的问题.通过对相关文献试验结果的统计分析，对冲击荷载作用下梁残余变形经验公式的适用性进行了探讨.1试验概况1.1 试件设计共设计了4根钢筋混凝土梁,试件尺寸和截面的配筋如图1所示.试件长2900mm,净跨1860mm；截面尺寸为bh=150mr300mm,纵筋保护层厚度25mm.梁底和梁顶各配置两根直径为16mm的纵向钢筋，强度等级为HRB400,配筋率为1.03%；箍筋采用8150带肋钢筋，强度等级为HRB400,配箍率为0.44%.实测纵筋屈服强度为524MPa,极限强度636MPa；箍筋屈服强度479MPa,极限强度598MPa.混凝土设

8、计强度为C30,试验时实测混凝土轴心抗压强度34.1MPa.采用跨中单点集中加载，剪跨比为3.58.2试验装置及试验方法采用湖南大学高性能落锤试验机进行冲击试验，并设计了梁抗冲击试验用的较支座，如图2所示.较支座由两个圆钢（梁底下方）、一个压梁（梁顶上方）和底座（固定于地面）组成.为了防止试验过程中梁体与支座脱离，在梁上端布置压梁，由拉杆与下层圆钢相连.由于下层圆钢可转动，压梁对梁体在支座处的转动没有影响.两个圆钢之间安装力传感器以测量支座反力.落锤锤头为200mm直径平头圆柱体，通过在上部加减钢板祛码调节锤头重量，试验锤头重量为328kg.锤头冲击点在梁顶面跨中位置，锤头内置有力传感器以测量

9、冲击力.梁底面跨中位置布置位移传感器以测量冲击时的位移响应，梁底纵筋粘贴有应变片以测量钢筋应变时程.在试验前，对压梁施加一定的预紧力，保证梁与支座接触紧密，以对支座反力进行良好的测量2.3冲击作用下梁的破坏机理分析为了揭示钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏机理，深入研究图4所示各试件在冲击过程中的冲击力、支座反力、跨中位移和纵筋应变时程曲线的变化规律及其相互关系，以试件Ba070为例，将各个时程曲线数据绘制于同一图中，如图5所示（将跨中位移扩大20倍，跨中纵筋应变缩小20倍，冲击力和支座反力不变）.从图5所示各时程曲线的比较分析可见，可将冲击过程分为如下两个阶段.第一阶段为局部响应阶段.此阶段

10、冲击力作用时间很短（小于1.2ms时），冲击力迅速达到了峰值，但支座反力响应不明显，跨中位移几乎没有发展.由于冲击力的作用，梁跨中局部区域受到剪力作用，而此时支座反力很小，试件以受剪为主，局部产生斜裂缝.从图5可见，纵筋应变在这一阶段急剧增大，这是由于跨中局部区域斜裂缝的发展导致的.第二阶段为整体响应阶段，作用延时为1.214ms.1.23.2ms内，冲击力逐渐减小到0,支座反力达到峰值，跨中位移开始增大，纵筋应变变化较小.在这一阶段，锤头的冲击动能转化给梁体，梁获得速度开始向下加速运动（由位移时程曲线可以看出），而锤头逐渐减速直到和梁一起运动，因此冲击力会逐渐减小；由冲击产生的应力波传递到支

11、座处，支座反力开始响应并逐渐达到峰值（2.2ms）.3.2ms以后，冲击力第二次达到峰值，这是由于在抗力的作用，梁体逐渐减速，而锤头继续向下运动，锤头与梁发生二次冲击作用，导致锤头力出现第二次峰值（3.8ms）.3.8ms以后，梁与锤头的相互作用逐渐减小，冲击力变化不大，支座反力与冲击力的变化趋势一致.由于梁仍具有向下的运动速度，跨中位移继续增大并达到峰值，试件的垂直裂缝在这一过程中发展.此时，纵筋应变出现第二次峰值，斜裂缝进一步发展.跨中位移在10.4ms时达到峰值，此时冲击力和支座反力开始减小.梁在冲击作用下和静力作用下受力情况明显不同，其破坏机理差异显著.冲击过程中，冲击力在较短时间内达

12、到峰值，跨中局部区域首先产生斜裂缝；当应力波传递到支座处，支座反力开始响应；冲击力在达到第二次峰值后逐渐衰减并与支座反力趋于一致，跨中位移达到峰值，垂直弯曲裂缝发展.r间ms3残余变形经验公式的探讨目前在钢筋混凝土梁抗冲击设计方法中，通过允许构件发生大变形以耗散能量被认为是一种较为合理的设计方法.此方法可采用冲击过程中梁残余变形作为设计控制指标.Kishi等13在实验的基础上提出了估算钢筋混凝土梁残余变形的经验公式，其形式为：r=EPusc(1)式中：E为冲击能量；Pusc为试件静态受弯承载力设计值；r为试件的残余变形；Q为拟合实验数据得到的系数，Kishi等拟合得到0.42.试验中试件的剪弯

13、比均大于1,因此本公式只适用于剪弯比大于1的试件.由式(1),已知落锤冲击能量便可确定试件的残余变形，但对比本次试验，发现该公式有待改进之处.如按照此公式，试件Ba070,Bb150,Bc260的计算残余变形分别为12.2mm,25.4mm,50.8mm,但试验实测结果却为8.1mm,20.4mm,40.6mm,相差较大.统计相关文献及本试验共4根梁，对此公式的适用性进行验证.图6为对文献统计中试件冲击能量与残余挠度的关系曲线，其中B48为文献11中试验数据，BD为文献9中试验数据，B10为文献5中试验数据，且所有试件的剪弯比均大于15从图中看出，冲击能量与跨中挠度呈正比关系，这与KiShi1

14、3等人得出的结论是一致的.利用公式（1）计算文献统计中试件的残余变形，并与其试验实测值进行比较，结果见表3.对于系列B4811,所有试件的试验值均小于经验公式的计算值，且最高相差26%；系列BD中9,试件BD1,BD2的试验值小于经验公式的计算值，而试件BD3,BD4,BD5的试验值均大于经验公式的计算值，最高相差38%；系列b10中5,试验值与经验公式的计算值相差不大，小于10%；本次试验的实际值均小于经验公式的计算值，最高相差33%.冲击能量E/J由文献统计结果的对比发现，不同截面的梁在冲击荷载作用下其残余变形的分布具有一定的离散性，经验公式所计算的试件残余变形与试验结果有较大差距.在实际

15、设计中，若构件的残余变形小于经验公式的计算结果，构件是偏于安全的.在文献统计中发现，试件的残余变形并不完全小于经验公式的计算结果，因此，Kishi等给出的经验设计公式的安全性有待进一步论证.4结论本文对4根钢筋混凝土梁进行了冲击试验和静力对比试验研究，试验中得到了冲击力、支座反力、跨中位移、跨中纵筋应变等时程曲线.根据本次试验结果，并对比已有试验数据，得到如下主要结论：1)在静力作用下发生弯曲破坏的梁，在低速冲击作用下，弯曲裂缝、弯剪裂缝发展较多，在高速冲击作用下，腹剪裂缝发展较多.2)通过分析冲击过程中梁冲击力、支座反力、跨中位移和纵筋应变时程曲线，对冲击下梁的破坏机理进行了分析，冲击荷载作

16、用下梁的破坏过程由局部响应阶段和整体响应阶段组成.3)通过对已有文献中残余变形经验公式的探讨，指出了该经验公式存在的不足之处，其适用性需进一步论证.参考文献1SOROUSHIANP,CHOIKB.SteelmechanicalpropertiesatdifferentstrainratesJ.JournalofStructuralEngineering,1987,113(4)：663-672.2陈英，刘瑞娟，霍静思.冲击荷载下角焊缝动态强度试验研究J.湖南大学学报：自然科学版，2015,42(3)：31-35CHENYing,LIURuijuan,HUOJingsi.ExperimentalstudyofdynamicpropertytransversefilletweldJ.Journalof