论文部分内容阅读
一般建（构）筑物遭受诸如冲击、爆炸荷载等非正常荷载作用条件下的分析和设计问题，近些年来越来越受工程领域从业人员、相关专家学者们的重视。产生这些非正常荷载的原因非常广泛，比如爆炸以及爆炸引起的碎片，地震、台风、海啸，还有诸如交通船舶、车辆、飞行器产生的事故型碰撞等等。公众非常希望了解建（构）筑物在遭受此类荷载作用时的破坏情况和整体安全性能。特别是目前对于冲击作用下建（构）筑物动态反应研究成果还不多。因此，开展钢筋混凝土结构抗冲击性能的研究十分必要。 本文研究的主要对象是高强钢筋混凝土配筋梁和钢纤维混凝土配筋梁在落锤冲击荷载作用下的动力性能，以及冲击与火灾联合作用下钢筋混凝土配筋梁的力学性能。考虑到在冲击荷载作用下钢筋混凝土结构会出现局部、全局、综合三种动力反应特性。本文研究时没有考虑结构局部损伤对于结构整体动力性能的影响，主要聚焦于结构的全局响应规律这一部分。 论文主要研究内容如下: 1.钢纤维混凝土和钢纤维混凝土配筋梁在冲击荷载作用的动力反应特性 (1)采用Hopkinson压杆，对7组共42件尺寸为φ75mm×50mm高强混凝土、钢纤维高强混凝土、PVA纤维混凝土试件进行冲击压缩试验，得到了它们在较高应变率范围内的动态应力-应变关系。试验表明较高应变率范围内纤维高强混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的。纤维高强混凝土材料的峰值应力和峰值应变随应变率的增大而增大。同时也对两种纤维高强混凝土材料的纤维增韧特性及耗能机理也进行了分析和探讨。 (2)对6根不同钢纤维体积掺量、不同配箍率的钢筋混凝土梁进行了跨中位置的落锤冲击试验研究，分析了不同钢纤维体积掺量和配箍率对于钢筋混凝土梁的抗冲击能力的影响，并采用高速摄像机记录了冲击过程中各试件反应达到最大位移处的裂缝形态。并详细分析了开裂形态、跨中位移时程曲线、试件中纵筋和箍筋应变时程曲线等特征。结果表明:在相同冲击荷载作用下，配箍率较高的试件中钢筋发生屈服乃至失效的几率相对较小。随配箍率增加，试件承受冲击荷载时产生的最大裂缝宽度减少。在冲击荷载作用下，提高钢纤维体积掺量对于构件混凝土基体强度的影响不大，但是对于试件刚度的影响较为明显。同时钢纤维含量的增加，会减少梁中箍筋的应变，使得钢筋混凝土梁中钢筋发挥更好的作用。钢纤维体积掺量的增加，可以明显减少试件在冲击荷载作用下的裂纹的发生与开展。同时改变梁本身的开裂形态，使得裂缝发生的区域相对集中，形成主要集中在试件跨中的垂直裂纹，而支座附近裂纹相对减少。 2.高强混凝土配筋梁在冲击荷载和火灾作用下的动力反应特性 (1)利用落锤试验机对6根钢筋混凝土梁进行试验研究，分析了不同冲击锤重和冲击能量下高强钢筋混凝土梁的抗冲击行为。详细记录并分析了冲击力、支座反力和跨中位移时程曲线的特征。结果表明:冲击荷载作用下，剪切机理在结构整体反应中发挥重要作用，静态抗弯设计的梁也会出现明显的对称剪切裂缝，试件基体混凝土强度对整体反应影响不大，但能减小试件局部破坏程度。在已有数据与相关文献基础上，可以建立一个冲击荷载作用下试件最大跨中位移与试件本身抗弯承载能力之间的关系，用于验证两端简支的配筋钢筋混凝土梁（剪弯比＞1）的抗冲击性能。冲击荷载作用下，在外力传导至支座处之前的初始反应阶段，RC梁承受的冲击力基本被自身的惯性力所抵抗。结构自身的刚度和跨度是影响构件抗冲击能力的一个重要因素。 (2)对6根配置钢筋高强混凝土梁进行落锤冲击加载试验，详细记录了冲击荷载作用下试件的裂纹开展情况。在冲击加载基础上，将5根试件施加恒载进行火灾试验。并对试验结果进行了描述。得到了相关的炉内火场的温升曲线、跨中截面测点温度-时间图、以及试件在火灾工况下的位移时程图以及最后的试件的破坏状态，总结和分析了冲击荷载和火灾作用下构件反应特点，得到以下结论:同一试件内外测点总体升温趋势大致相同，越靠近外表面、越接近火（热）源位置的测点升温速度越快，反之速度越慢。前期接受冲击荷载的梁相比没有遭受冲击荷载的，由于混凝土开裂损伤等因素导致火灾试验中试件内部升温更快。在高温作用恒载下，试件呈现弯曲破坏模式，先前冲击荷载在试件冲击点下方跨中部分形成的裂缝均有不同程度的扩展，但冲击荷载产生的支座附近拱形斜裂纹有闭合现象。 3.冲击和火灾作用下的钢筋混凝土梁的数值模拟计算 在高强钢筋混凝土梁落锤冲击试验，得到开裂破坏形态、锤头冲击力、跨中位移的基础上，采用混凝土连续面盖帽模型(MAT CSCM)，对试验结果数值模拟，计算结果证明该模型能够较好的反映混凝土低速冲击的受力特点，并且能很好的捕捉混凝土试件的破坏及开裂过程。在使用LS-DYNA模拟冲击荷载基础上，然后提取模型最后一步状态信息文件，输入到ABAQUS中施加温度和静力荷载，对模型进行显式热力耦合分析，实现钢筋混凝土梁的三维有限元计算。进一步将计算结果与之前的试验数据相比较，发现遭受冲击荷载作用钢筋混凝土梁的抗火极限相比无损伤普通钢筋混凝土梁有着不同程度的劣化，并验证了本文所建立的抗火分析方法的合理性和可行性。