摘要：钢筋混凝土结构在服役的过程中，可能遭受各种极端动力荷载作用如地震、冲击和爆炸等，研究钢筋混凝土结构在冲击等强动力荷载作用下的力学行为，对极端荷载下结构的合理设计和安全评估具有重要意义。在无腹筋梁抗冲击试验研究的基础上，为了进一步深入探讨冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的抗冲击性能，利用落锤试验机对一组简支配箍钢筋混凝土梁进行试验研究，分析了不同冲击锤重、冲击速度和冲击能量及二次冲击下钢筋混凝土梁的抗冲击行为。为了分析冲击过程中梁的惯性力分布特点，采用大量程加速度计对冲击过程中沿梁长度方向不同位置的加速度响应进行了测量，由于惯性力的影响，梁的剪力分布发生明显改变。
关键词：高强；混凝土；冲击荷载
钢筋混凝土梁作为混凝土结构最基本的构件之一，在人为灾害和自然灾害作用下均可能承受冲击荷载的作用。认识和把握钢筋混凝土结构在冲击等强动力荷载作用下的性能是土木工程防灾减灾领域的重要课题之一。目前对钢筋混凝土梁的抗冲击行为的研究工作主要包括抗冲击试验装置与试验方法的研发［1］、在冲击下抗弯和抗剪强度设计方法、冲击荷载作用下梁的反应特点及其影响因素［3］等方面。由于混凝土和钢筋材料的率敏感性的差异、构件在强动力荷载作用下的惯性效应，以及混凝土材料作为一种典型的多相复合材料的特点，钢筋混凝土结构在冲击等强动力荷载作用下的力学行为与静载条件下的行为存在较大差异，而且机理相对复杂，现有研究工作的积累，特别是试验研究成果显得不足，国内在这方面的研究尤为缺乏。
一、试验概况
1、构件设计。本试验构件开展深梁的抗冲击行为试验研究，构件的试验参数，通过不同的落锤高度调整冲击速度以及相应的冲击能量，各次冲击锤重不变，锤重为854 kg。构件被设计成具有不同的静载性能与剪切破坏，净跨均为1860 mm，截面尺寸为170 mm × 620 mm。为加强梁端纵向钢筋的锚固，根据ACI 318 － 08 条文对梁端部箍筋进行加密。试验的混凝土圆柱体抗压强度分别为27．3 MPa和26．4 MPa。
2、冲击试验装置及数据测量。冲击试验在某大学土木工程学院大能量落锤冲击试验机上进行。装置见图，锤头冲击点在跨中，锤头内置有力传感器进行冲击力时程测量。除构件2BD2 外，其余构件在冲击点位置放置钢垫板和球铰以防止冲击点混凝土过早发生局部破坏。在梁两支座处放置力传感器用于测量冲击过程中的支座反力。两支座处梁上下表面均设置滑动铰支座，并且支座处梁顶部的铰顶施加压梁。压梁通过拉杆与固定于支座的铰相连，因而压梁对梁在支座处转动没影响。滑动铰和拉杆铰表面加工光滑，并均涂高级润滑油消除摩擦阻力。在试验前，对压梁施加一定的预紧力，使梁与支座接触紧密，以保证冲击过程中对支座力进行良好的测量。在梁跨中布置了位移计测量其冲击下的位移响应。
为了分析梁在冲击过程中产生的惯性力，在梁侧沿梁长方向安装了大量程加速度传感器对梁的加速度进行测量，加速度传感器的布置。试验中通过激光触发开始数据采集，并通过激光探头经过一段小长度的反射面的信号变化所需时间和反射面的长度对锤头接触梁之前的瞬时速度进行直接测量。系统采样频率为1 MHz。在试验过程中采用高速摄像机对冲击全过程进行记录，拍摄帧率为1000帧/s。
二、冲击试验结果与分析
1、冲击下深梁裂缝形态。在冲击荷载作用下，各构件的裂缝形态，深梁在静载和不同的冲击能量下的裂缝形态的轮廓大体相似，跨中的受弯裂缝发展很深，扩展至接近梁顶，裂缝分布在一个三角形区域，但仍有变化，在本试验的冲击速度和冲击能量范围内，其变化没有普通钢筋混凝土梁在不同冲击能量下的裂缝形态变化明显。随冲击速度的提高，裂缝分布出现向跨中按图中箭头所示方向收拢的趋势，最外侧的裂缝倾角变小。随冲击速度的提高，冲击位置加载板外侧混凝土破坏越严重。试验在静载和冲击荷载下均发展了较多的弯曲裂缝，试验在冲击荷载下的弯曲裂缝明显比静载少。这一现象可能与构件的静载性能相关，试验的静载对比构件在接近峰值荷载时有明显屈服平台，因而在冲击荷载下有更好的变形能力允许受弯裂缝充分发展，而试验组静载对比构件则无屈服平台，承载力达到最大值即进入下降段，在冲击荷载作用下，破坏由斜裂缝控制，受弯裂缝来不及充分发展就进入承载力下降段。钢筋混凝土梁主要以塑性变形和开裂损伤方式耗能，尽管1BS 静载承载力比2BS 静载承载力稍低，但试验的裂缝数量明显比2BS 多，由此可见，荷载－ 位移曲线具有屈服平台试验的耗能和抗冲击性能比试验好。为了考虑在冲击累积能量相当的情况下，冲击次数对深梁抗冲击性能的影响，对构件1BD1 与2BD1 进行了二次冲击。第二次冲击下( 1BD1 － 2和2BD1 － 2) 梁基本沿第一次冲击产生的裂缝开展，并在支座承压板内边缘与加载板外边缘之间的临界斜裂缝发生破坏，与静载构件破坏裂缝位置相似。但与1BD1 － 2 两次累计冲击能相同的一次冲击构件1BD2的裂缝形态与1BD1 － 2 并不相同，说明在总能量一致的情况下多次冲击与一次冲击引起结构的破坏形态可能会有所不同。
冲击下深梁裂缝发展过程。为展示不同冲击速度和冲击能量下深梁的裂缝发展过程，以试验为例，对各试件在冲击过程中的裂缝发展过程进行描述与分析。图表示的是1BD－1，1BD2试件在破坏过程中典型时刻的高速摄像照片。由于第二次冲击下梁主要裂缝的发展基本沿第一次冲击所形成的裂缝开展，在此不进行描述。为清晰的在图中显示裂缝，在部分图中对初期开展的裂缝通过手绘进行强调显示。1）1BD1－1 ( 854 kg，5．42 m/s) 在1 ms 时，试件跨中首先出现弯曲裂缝，左剪跨内靠跨中的腹部形成了斜裂缝，右剪跨内梁底出现弯曲裂缝并向加载点延伸形成斜裂缝。在2 ms 时，原有裂缝进一步向冲击点扩展变宽，并在两剪跨内新增多条弯曲裂缝，弯剪裂缝和腹部剪切斜裂缝。8 ms 时试件位移达到最大，试件的左右两个半跨较为对称地形成了4 条左右较为明显的弯剪裂缝，裂缝上段均朝冲击加载点集中并接近梁顶，跨中弯曲裂缝向上发展接近梁顶。2）1BD2 ( 854 kg，7．67 m/s) 在1 ms 时正跨中首先出现一条明显的受弯裂缝，并迅速发展到1 /2 梁高位置，在剪跨内梁腹部形成了2～ 3 条大体平行的斜裂缝。2 ms 时原有弯曲裂缝继续向梁顶发展，斜裂缝继续向梁顶和梁底部扩展，并有新的弯曲裂缝和斜裂缝出现。5 ms 时，最外侧斜裂缝已发展至梁顶，其余在1 ms 时所见的裂缝也开展较深，接近梁顶150 mm 左右。12 ms 时，梁达到最大位移，梁主要弯曲裂缝和斜裂缝宽度发展较均匀，而静载构件1BS除破坏斜裂缝很宽外，其余裂缝宽度均相对较小。此刻梁位移值为31 mm，比静载梁在临界斜裂缝处断裂的位移( 16 mm) 大15 mm。冲击下1BD2 比1BS 具有更大的挠曲变形能力。
结论
1、本试验中两静载对比构件分别表现出不同的性能，1BS 在达到峰值荷载时出现荷载－ 位移曲线的屈服平台，而2BS 的荷载随位移增加近似两折线的达到峰值后即进入下降段。两构件在临界斜裂缝破坏后，仍具有一定残余承载力，并存在荷载－ 位移曲线平台。
2、静载行为不同的两组构件在冲击荷载下的行为表现出差异，从构件的裂缝数量、变形及破坏特征可见，具有荷载－ 位移屈服平台的构件抗冲击性能更好。
3、在试验中对深梁进行第二次冲击时，主要裂缝基本遵循第一次冲击产生的裂缝进一步扩展，二次冲击的耗能主要通过原有裂缝扩展和进一步的塑性变形实现。相同的总冲击能，多次冲击与一次冲击产生的破坏形式可能不相同。
参考文献：
[1]姜华，贺栓海，王君杰．钢筋混凝土梁冲击试验数值模拟研究．振动与冲击，2015，(15).
[2]许斌，曾翔．冲击荷载作用下钢筋混凝土梁性能试验研究．土木工程学报，2016，(2).
[3]赵德博，易伟健．钢筋混凝土梁抗冲击性能和设计方法研究．振动与冲击，2015，(11)
论文作者:牟红英
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第10期
论文发表时间:2017/10/26
标签：裂缝论文; 荷载论文; 构件论文; 支座论文; 钢筋混凝土论文; 位移论文; 弯曲论文; 《建筑科技》2017年第10期论文;