張玉民，陸 亮

(山東潤泰水利工程有限公司，山東 泰安 271000)

鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)是工民建中常用的工程結(jié)構(gòu)。既有研究表明，混凝土和材料和鋼筋均屬于典型的率相關(guān)材料，在爆炸和沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和靜載作用下有顯著的區(qū)別。通常率相關(guān)材料的強度會隨加載速率的增大而顯著提高。羅緒昌等[1]基于ABAQUS數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了鋼筋混凝土深梁在沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)。結(jié)果表明，梁的塑性發(fā)展程度隨加載速度的增大而增大，隨混凝土強度的提高，梁沿長度方向的剪力顯著增大。趙武超和錢江[2]綜合采用物理模型試驗和數(shù)值模擬分析了混凝土梁在沖擊荷載下的局部響應(yīng)特征，結(jié)果表明，慣性力和負向支座反力均會影響梁體局部響應(yīng)階段。付應(yīng)乾和董新龍[3]基于1∶1模型試驗分析了落錘沖擊下鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)，結(jié)果表明，低速沖擊下，梁的破壞表現(xiàn)為彎曲破壞，高速沖擊下，梁的破壞由彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹ＴS斌和曾翔[4]基于室內(nèi)沖擊試驗，研究了動荷載下鋼筋混凝土梁的破壞形式，結(jié)果表明，慣性力會梁的剪力分布發(fā)生，并在此基礎(chǔ)上給出了估算梁承載能力的計算方法。易偉建和史先達[5]基于能量等效原理，分析了沖擊荷載下鋼筋混凝土剪力墻動力響應(yīng)行為，結(jié)果表明，沖擊能量和墻中最大位移成線性增長；當(dāng)軸壓比小于0.3時，軸力對結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力有利，小軸壓比情況下可以不考慮軸力進行設(shè)計。

目前的相關(guān)研究主要集中于沖擊荷載作用下梁的破壞形式。實際工程中，由于設(shè)計荷載及結(jié)構(gòu)形式的不同，梁的配筋率均會有所差異，不同配筋率對鋼筋混凝土梁的動力響應(yīng)行為研究較少?；谀壳把芯康牟蛔悖疚牟捎肁BAQUS數(shù)值軟件建立計算模型，系統(tǒng)的研究了不同配筋率和不同加載速度對梁的破壞形式的影響。本文的研究可為鋼筋混凝土梁在動力作用下的設(shè)計和加固提供參考。

1 有限元模型及計算參數(shù)

1.1 模型建立

建立典型鋼筋混凝土梁計算模型如圖1所示。梁的長度為1.0m，截面尺寸為0.1m×0.1m，縱向受力鋼筋采用HRB335φ10鋼筋，箍筋采用HRB335φ8@50鋼筋?；炷帘Ｗo層厚度為20mm。

圖1 數(shù)值計算模型

試驗采用的鋼筋混凝土梁加載器為典型的鉚形重錘。通過改變錘頭幾何尺寸和增大密度可以保持落石的沖擊能量不發(fā)生改變。數(shù)值模擬中，錘頭與鋼筋混凝土梁上表面的接觸設(shè)置為面面接觸?；炷梁湾N頭網(wǎng)格采用C3D8R減縮單元，鋼筋采用truss單元模擬。加載速度分別為4.9、6.9和9.8m/s。模型最終的網(wǎng)格總數(shù)為135310，節(jié)點個數(shù)為146120。

1.2 計算參數(shù)

既有研究表明，混凝土材料和鋼筋采用均屬于典型的率相關(guān)材料。為充分考慮結(jié)構(gòu)加載速率對材料力學(xué)響應(yīng)的差異性。針對混凝土材料本位采用混凝土塑性損傷本構(gòu)(CDP損傷本構(gòu))。該本構(gòu)通過定義損傷因子描述混凝土在動力作用下材料的損傷和劣化，可以較好的模擬混凝土在沖擊爆炸荷載下的力學(xué)響應(yīng)。混凝土的計算參數(shù)見表1。受壓和受拉損傷因子如圖2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

圖2 混凝土損傷因子

為考慮鋼筋材料的率相關(guān)性，本文使用三折線模型，根據(jù)林峰等[6]的研究，在不同的應(yīng)變率下，鋼筋的楊氏模量基本一致，鋼筋的屈服強度和極限強度隨應(yīng)變率的變化規(guī)律為：

(1)

本文試驗中HRB335鋼筋參數(shù)見表2。

表2 鋼筋材料參數(shù)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 配筋率對沖擊力的影響

3種不同配筋率對落錘沖擊力的影響如圖3所示。結(jié)果表明，3種配筋率下落錘的沖擊力時程曲線均表現(xiàn)出先迅速增大隨后減小最后平穩(wěn)的過程。對應(yīng)梁的變形為壓縮加載和回彈典型階段。3種配筋率工況下，落石的最大沖擊力隨配筋率的增大而增大，這是因為配筋率增大對應(yīng)鋼筋混凝土梁的有效剛度增大，從而導(dǎo)致落錘的沖擊力增大。以沖擊速度為4.9m/s為例，當(dāng)鋼筋混凝土梁的配筋率由2.57%增大至2.67%時，落錘的最大沖擊力由147kN增大至159kN，增大比例為8.2%。當(dāng)鋼筋混凝土梁的配筋率由2.67%增大至2.78%時，落錘的最大沖擊力由159kN增大至209kN，增大比例為31%?？傮w來看，隨鋼筋配筋率的增大，梁的承載力明顯提高。隨著沖擊速度的增大梁的變形模式由彎曲變形逐漸向剪切變形轉(zhuǎn)變。

圖3 配筋率對落錘沖擊力的影響

混凝土梁在不同加載速度下的變形模式如圖4所示。結(jié)果表明，混凝土梁的變形裂縫首先由梁跨中開始發(fā)生，隨沖擊力的增大，梁的裂縫逐漸擴展貫通，隨沖擊速度的增大，梁的撓曲變形顯著增大，當(dāng)速度較小時，梁主要表現(xiàn)為彎曲破壞，當(dāng)速度較大時，梁的變形主要以剪切變形為主。

圖4 混凝土損傷變形模式

2.2 配筋率對梁跨中位移影響

鋼筋混凝土梁跨中位移變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土梁跨中位移規(guī)律

結(jié)果表明，不同沖擊速度及不同配筋率下，梁的跨中位移時程曲線表現(xiàn)出相同的趨勢。隨時間的增大，梁跨中位移迅速增大，隨后保持穩(wěn)定。在不同沖擊速度及不同配筋率下，鋼筋混凝土梁穩(wěn)定時對應(yīng)的位移為梁不可恢復(fù)塑性變形。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.57%時，梁的最大變形和塑性變形為38.8和30.3mm。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.67%時，梁的最大變形和塑性變形為31.8和20.5mm。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.78%時，梁的最大變形和塑性變形為27.4和18.7mm；在沖擊速度為6.9m/s和配筋率為2.57%時，梁的最大變形和塑性變形為68.3和56.3mm。在沖擊速度為4.9m/s、配筋率為2.67%時，梁的最大變形和塑性變形為56.3和241.0mm。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.78%時，梁的最大變形和塑性變形為49.6和38mm；在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.57%時，梁的最大變形和塑性變形為120.5和117.2mm。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.67%時，梁的最大變形和塑性變形為103.1和97.8mm。在沖擊速度為4.9m/s和配筋率為2.78%時，梁的最大變形和塑性變形分別為91.2和81.3mm。顯然，相同沖擊速度下，隨配筋率的增大，跨中最大撓度和最終塑性變形均顯著減小，梁的抗變形能力隨梁配筋率的增大而提高[7]。

2.3 配筋率對梁破壞模式的影響

匯總得到鋼筋混凝土梁的加載-位移。結(jié)果表明，不同沖擊速度和配筋率下，梁的沖擊力-變形曲線表現(xiàn)出相同的趨勢。在梁的壓縮階段，跨中位移隨沖擊力的增大而增大，在梁反彈階段，梁的位移隨沖擊減小而減小。達到穩(wěn)定時，梁的變形為不可恢復(fù)塑性變形。以沖擊速度4.9m/s為例，在3種不同配筋率工況下，落錘沖擊力隨跨中撓度增大而呈波動變化趨勢?？梢?，梁在沖擊荷載下，發(fā)生反復(fù)的壓縮和回彈，表現(xiàn)出彎曲變形趨勢。增大沖擊速度至6.9m/s時，在最小配筋率工況下，梁在跨中位移最大值達到40mm時逐漸穩(wěn)定，此時梁的變形逐漸由彎曲變形轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶冃?，而其?種配筋率較大的梁仍然表現(xiàn)為彎曲變形。繼續(xù)增大落錘速度至9.8m/s時，除配筋率為2.78%的梁表現(xiàn)為彎曲變形以外，其他兩種配筋率的梁均表現(xiàn)出典型的剪切變形的特征?？傮w來看，隨配筋率的減小，梁在動荷載作用下發(fā)生剪切破壞的概率在增大。

3 結(jié)語

基于數(shù)值模擬開展泵站框架結(jié)構(gòu)梁在動荷載作用下的動力響應(yīng)，得到如下結(jié)論。

(1)不同配筋率下，落錘的沖擊力時程曲線均表現(xiàn)出先迅速增大隨后減小最后平穩(wěn)的過程。增大梁的配筋率，可以提高梁的承載力。此外，隨沖擊速度的增大，梁由彎曲變形逐漸向剪切變形轉(zhuǎn)變。

(2)混凝土梁的裂縫首先由跨中開始，隨著沖擊力的增大，梁的裂縫逐漸擴展貫通，梁的撓曲變形顯著增大。速度較小時，梁主要表現(xiàn)為彎曲破壞，速度較大時，變形以剪切變形為主。

(3)落錘的沖擊速度相同時，梁的抗沖及抗變形能力均有所提高，沖擊速度大于臨界速度時，進一步增大沖擊速度，配筋率對梁的抗變形能力的影響不再顯著。