沖擊荷載作用下鋼筋混凝土板的動力性能研究

葛 照 才

(沈陽軍區(qū)司令部工程科研設(shè)計所，遼寧 沈陽 110162)

沖擊荷載作用下鋼筋混凝土板的動力性能研究

葛 照 才

(沈陽軍區(qū)司令部工程科研設(shè)計所，遼寧 沈陽 110162)

以固支的圓板為例，建立了三角形沖擊荷載作用下鋼筋混凝土的有限元模型，分析了荷載大小和作用時間對板動力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，板的動力響應(yīng)主要受荷載強度的影響，荷載作用時間影響不大，結(jié)構(gòu)變形以彎曲模態(tài)為主。

鋼筋混凝土板，沖擊，動力響應(yīng)，荷載

0 引言

隨著恐怖事件的增加和生產(chǎn)、生活中各種事故的發(fā)生，建筑結(jié)構(gòu)可能承受爆炸等沖擊荷載作用。建筑房屋一般由梁、板、柱等構(gòu)件組成，研究鋼筋混凝土板的沖擊力學(xué)性能對建筑安全和人民生產(chǎn)生活安全具有重要意義。

針對鋼筋混凝土板的動力性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[1-3]，既有理論分析，也有現(xiàn)場原型實驗。數(shù)值計算方法由于其獨特的優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。如在大幅降低實驗費用的同時可以得到實驗很難量測到的動力變形響應(yīng)過程，可以滿足研究者對結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程的細(xì)致分析，是結(jié)構(gòu)動力分析的有效手段。

本文以鋼筋混凝土圓板為例，以動力有限元程序為主要分析手段，建立了固支鋼筋混凝土圓板的有限元模型，針對不同加載工況，分析了板底位移、板底加速度和鋼筋應(yīng)變等量，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定參考價值。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文計算的物理模型如圖1所示，鋼筋混凝土板直徑為1.5 m，厚度為30 cm，板內(nèi)布置2層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)眼長度為15 cm，鋼筋采用HRB335鋼，直徑20 mm。2層鋼筋網(wǎng)間布置豎向箍筋，間隔15 cm。采用C30級混凝土，軸心抗壓強度23 MPa?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為3 cm。板與支座固支，為防止支座拉壞，支座內(nèi)配置6層環(huán)向鋼筋，每層兩根，直徑為20 mm。

1.2 材料模型

混凝土采用C&K模型[4]，該模型包含了大變形、高應(yīng)變率和高靜水壓等因素的影響，是專門用于混凝土在爆炸沖擊等強動載作用下的計算模型，混凝土參數(shù)利用該模型強度相關(guān)的自動生成模式生成。鋼筋采用彈塑性隨動硬化模型。

1.3 有限元模型

為提高計算效率，利用結(jié)構(gòu)的對稱性，取1/4建模，并在對稱面上施加對稱邊界條件。在結(jié)構(gòu)底部建立剛性墻以模擬支座對結(jié)構(gòu)的支撐作用。鋼筋和混凝土分別獨立建模，混凝土采用六面體單元，鋼筋采用梁單元，通過速度和位移耦合的方式實現(xiàn)鋼筋與混凝土間的粘結(jié)關(guān)系。建立好的有限元模型如圖2所示。加載方式為在板頂施加直角三角形荷載。

2 計算結(jié)果分析

2.1 荷載強度的影響

首先進(jìn)行了等沖量不同荷載大小時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析。荷載峰值分別為0.6 MPa,0.3 MPa，對應(yīng)的卸載時間分別為50 ms,100 ms，計算得到的板底相對于支座的位移關(guān)系如圖3所示。圖中H50，H100分別為卸載時間為50 ms,100 ms工況下對應(yīng)的位移。5955,6027,6005分別為板底面圓心和邊緣的三個節(jié)點。結(jié)果表明，等沖量作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)受荷載強度的影響很大，且響應(yīng)量值和荷載大小并不成線性關(guān)系。

2.2 荷載作用時間的影響

對動荷載，加載時間也會對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)產(chǎn)生影響。荷載峰值取為0.6 MPa，卸載時間分別取為25 ms,100 ms，圖4為兩種荷載作用下板底三個節(jié)點豎向相對支座位移的時程曲線。圖4表明雖然荷載作用時間延長了4倍，但板底最大位移值變化不大。與圖3的對比表明，荷載峰值仍是影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的主要因素。

2.3 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的詳細(xì)分析

以加載峰值0.6 MPa，卸載時間100 ms為例，對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。計算的鋼筋應(yīng)變、板底加速度如圖5，圖6所示。

圖5表明板底圓心處鋼筋受拉，而靠近支座處受壓，表明結(jié)構(gòu)處于彎曲模態(tài)。從圖4來看，跨中與邊緣處位移相差很大，也表明結(jié)構(gòu)以彎曲模態(tài)為主。從曲線波動情況可以判斷，結(jié)構(gòu)自振周期在3 ms左右。板的損傷主要發(fā)生在板底跨中處的鋼筋混凝土保護(hù)層中，是被反射波拉壞的，其余部分基本完好。

3 結(jié)語

1)等沖量作用下荷載峰值對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響很大；等荷載峰值時卸荷時間對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響不大。表明對本文模型，荷載峰值是控制結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要因素。

2)荷載作用時長遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自振周期，對本文模型，結(jié)構(gòu)動力變形主要呈現(xiàn)彎曲模態(tài)。

3)從鋼筋應(yīng)變、板底位移圖可見，在本文的加載條件下結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，以彈性變形為主。

[1] 張想柏,楊秀敏,陳肇元,等.接觸爆炸鋼筋混凝土板的震塌效應(yīng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,46(6):765-768.

[2] 陳肇元.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在沖擊荷載下的性能[M].北京:清華大學(xué)出版社,1986.

[3] Krauthammer T,Shahriar S,Shanaa H M.Response of reinforced concrete elements to severe impulsive loads[J].Journal of Structural Engineering,1990,116(4):1061-1079.

[4] L.Javier Malvar,John E.Crawford,James W.Wesevich,etc.A plasticity concrete material model for DYNA3D[J].International Journal of Impact Engineering,1997,19(9):847- 873.

The dynamic properties of RC slabs under impact loading

Ge Zhaocai

(EngineeringResearchandDesigningInstituteofShenyangMilitaryAreaCommand,Shenyang110162,China)

The finite element model of a circular RC slab under triangular impact loading was established in the article. The effects of loading magnitude and duration time on the dynamic response of the slab were analysed. The result showed that the slab’s respons was mainly influenced by loading magnitude in comparison with duration time. Bending was the main transformative mode.

RC slab, impact, dynamic response, loading

1009-6825(2015)07- 0035- 02

2014-12-17

葛照才(1973- )，男，助理工程師

O383.2

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