S形鋼龍骨-夾芯板防護(hù)層的落石沖擊緩沖性能試驗(yàn)研究

張 山， 張俊發(fā)， 陶 磊， 劉浩召， 高 亮

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048)

我國山地面積廣闊，其特殊的地質(zhì)地貌條件使得滑坡、崩塌及落石等斜坡地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，不僅對建構(gòu)筑物及公共基礎(chǔ)設(shè)施安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳踩徒?jīng)濟(jì)活動[1]。而落石災(zāi)害因隨機(jī)性大，突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)測防治困難等特點(diǎn)，已成為西部高山峽谷區(qū)域的主要地質(zhì)災(zāi)害類型[2]。

目前，針對落石災(zāi)害的防護(hù)主要分為主動防護(hù)和被動防護(hù)兩大類。落石災(zāi)害往往發(fā)生在陡峭的高山峽谷之中，有些情況下對其主動防護(hù)難以實(shí)施，在實(shí)際工程中，多采用被動防護(hù)措施[3-4]，通常采用在建構(gòu)筑物外表面覆蓋一定厚度的緩沖墊層材料以緩解落石沖擊力[5-11]，如國外Bhatti等[12]通過對砂土緩沖層的理論分析和Ho等[13]對砂土緩沖層的試驗(yàn)研究，證明砂土緩沖層具有較好的耗能效果。Schellenberg等[14-15]提出了一種由金屬網(wǎng)和泡沫玻璃組成的新形緩沖層，通過理論分析和大型試驗(yàn)，表明該緩沖層具有較好的耗能效果。國內(nèi)石少卿等[16]進(jìn)行新型廢舊輪胎組合攔石結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，利用廢舊輪胎的彈性和韌性緩解落石的沖擊力；王東坡[17-18]通過有限元法對落石沖擊閉孔泡沫鋁夾芯板和防護(hù)棚洞EPS(聚苯乙烯)墊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，揭示了泡沫鋁和EPS墊層結(jié)構(gòu)的緩沖機(jī)理；黎良仆等[19]對有EPE(可發(fā)性聚乙烯)墊層的棚洞進(jìn)行了落石沖擊緩沖作用的研究，結(jié)果表明EPE能廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，緩沖性能與抗沖擊性能較好。

當(dāng)前，建構(gòu)筑物的大部分防護(hù)措施是在其外表面水平層面上直接覆蓋一定緩沖墊層，但在垂直層面上對落石防護(hù)措施的研究卻很少。在汶川地震中，映秀灣水電站廠房的山墻遭到落石的洞穿破壞(如圖1所示)。課題組選用EPS泡沫夾芯板作為緩沖墊層用于垂直層面的落石防護(hù)，這種材料市場上較為常見，廣泛用于輕型工業(yè)廠房、建筑工地臨時房屋的屋面等墻體。但考慮到EPS泡沫為漸增硬化材料，當(dāng)落石沖擊能量過大時，EPS泡沫夾芯板受沖擊作用后會因塑性波的匯聚產(chǎn)生沖擊波[20]，難以達(dá)到防護(hù)效果。因而自行設(shè)計(jì)制作了S形冷彎薄壁型鋼龍骨，以EPS泡沫夾芯板作為面層組合成緩沖防護(hù)層。期望通過S形鋼較大行程的塑性變形進(jìn)一步的緩沖及耗能，以抵御沖擊能量更大的落石。這種防護(hù)層具有重量輕的特點(diǎn)，便于外掛固定于建構(gòu)筑物外墻。通過落石沖擊試驗(yàn)對這種防護(hù)層的緩沖性能進(jìn)行研究，可望為實(shí)際工程中防護(hù)層的應(yīng)用提供參考。

圖1 受落石沖擊后的映秀灣水電站廠房山墻Fig.1 Yingxiuwan hydropower station house gables under impact of rockfall

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)板及防護(hù)層

緩沖耗能裝置抵抗沖擊的能量吸收原則之一是，較長的行程能吸收更多的能量。即在沖擊作用下易于屈服且有較大的變形行程，有利于沖擊能量的耗散?；谶@一原則，筆者提出如下防護(hù)方案，將Q235薄壁鋼板冷彎加工制成截面為S形的型鋼，用自攻螺釘把S形鋼與EPS泡沫夾芯板連接在一起，組成以S形鋼為龍骨，EPS泡沫夾芯板為面層的防護(hù)層(如圖2所示)，將其固定與鋼筋混凝土板(后面簡稱RC板)上。再通過落石沖擊試驗(yàn)開展防護(hù)層的緩沖性能研究。

試驗(yàn)中S形鋼高160 mm、寬60 mm，厚2.5 mm，單根長度為1 600 mm，橫截面面積為749.63 mm2，質(zhì)量為9.416 kg。泡沫夾芯板的尺寸為長1 600 mm，寬970 mm，厚100 mm，其中上下表面為0.5 mm厚的彩鋼板，芯材為EPS材料，密度為16 kg/m3。RC板呈正方形，整個板用C40混凝土澆筑，邊長2 000 mm，厚200 mm，質(zhì)量約為2 000 kg。板內(nèi)采用直徑為16 mm、間距為200 mm、鋼筋型號為HRB400的對稱雙向配筋和直徑為20 mm、間距為600 mm、鋼筋型號為HRB400的拉筋配筋，并在板四周綁扎直徑為8 mm、間距為200 mm、鋼筋型號為HPB300的箍筋。

圖2 防護(hù)層示意圖Fig.2 Protective layer schematic diagram

1.2 試驗(yàn)方案

落石沖擊能量的大小由沖擊高度和落石質(zhì)量決定，試驗(yàn)中采用不同落錘高度模擬了兩種不同沖擊能量的落石，用以研究S形鋼和EPS泡沫夾芯板防護(hù)層的緩沖性能。落錘采用鑄鋼材料鑄造，質(zhì)量為100 kg，為了保證測出落錘沖擊方向的加速度，要求落錘下落過程中不能翻滾，將其設(shè)計(jì)成鴨梨狀。為了探討S形鋼間距和S形鋼根數(shù)對防護(hù)層緩沖性能的影響，將S形鋼間距設(shè)為300 mm(4根)和200 mm(6根)兩種情況，進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。

表1為具體的試驗(yàn)工況，其中1～3組為落錘沖擊設(shè)有防護(hù)層的試驗(yàn)，第4組為未設(shè)防護(hù)層的對照試驗(yàn)，第5組為未設(shè)防護(hù)層的小高度試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行兩次。為了方便1～4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，需要引入一個參照系數(shù)進(jìn)行對比分析，通過第5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的參照系數(shù)是對比分析1～4組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。

表1 試驗(yàn)工況

圖3為試驗(yàn)平臺示意圖，通過塔架提升和釋放落錘，利用高速攝像機(jī)、內(nèi)置于落錘中心的大量程加速度傳感器、動態(tài)力傳感器、鋼筋與混凝土應(yīng)變片采集沖擊過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)。其中高速攝像機(jī)的記錄速度為250 幀/s；加速度傳感器量程為±104g，頻率響應(yīng)1～10 kHz；動態(tài)力傳感器量程為0～500 kN，固有頻率50 kHz；應(yīng)變片的應(yīng)變極限為2×1010με。動態(tài)力傳感器與自行開發(fā)的高度可調(diào)的支架配套使用。

圖3 試驗(yàn)平臺示意圖Fig.3 Experimental platform schematic diagram

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)為高速動態(tài)采集系統(tǒng)和中速動態(tài)采集系統(tǒng)。其中高速動態(tài)采集系統(tǒng)用于進(jìn)行加速度動態(tài)過程的采集，通道數(shù)為8個，類型為16bit AD，抗混疊濾波器，電壓輸入范圍：±10V，±5 V，±1 V，±0.2 V，同步連續(xù)采樣率為1 MHz。中速動態(tài)采集系統(tǒng)用于進(jìn)行動態(tài)支座反力和動態(tài)應(yīng)變的采集，通道數(shù)為16個，類型為24bit雙AD，抗混疊濾波器，電壓輸入范圍：±10 V，±5 V，±1 V，±10 mV，同步連續(xù)采樣率為200 kHz。兩種采集系統(tǒng)的輸入方式為電壓，輸入阻抗為1 MOhm，隔離電壓為1 000 V。加速度和動態(tài)應(yīng)變采用電荷放大內(nèi)置型傳感器，支座反力采用電荷式傳感器，經(jīng)外置電荷放大器接入中速采集系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)成果

2.1 編號規(guī)則

為記錄方便，制定試驗(yàn)編號規(guī)則為：試驗(yàn)組號-第幾次試驗(yàn)。如第1組第1次試驗(yàn)編為1-1。

2.2 沖擊過程

圖4為高速攝像機(jī)錄制1-1試驗(yàn)沖擊過程幾個關(guān)鍵時刻的瞬間照片。(a)規(guī)定落錘接觸夾芯板上表面瞬間為第1幀照片，(b)為落錘下落到最低處，開始回彈時刻，(c)為落錘回彈至最高處時刻，(d)為落錘二次回彈時刻。

圖5為高速攝像機(jī)錄制4-1試驗(yàn)沖擊過程幾個關(guān)鍵時刻的瞬間照片。(a)規(guī)定落錘接觸RC板上表面瞬間為第1幀照片；(b)為落錘下落到最低處，開始回彈時刻；(c)為落錘回彈至最高處時刻；(d)為落錘二次回彈時刻。

圖4 1-1試驗(yàn)沖擊過程圖片(有防護(hù)層)Fig.4 Pictures of 1-1 experiment impact process(have protective layer)

圖5 4-1試驗(yàn)沖擊過程圖片(無防護(hù)層)Fig.5 Pictures of 4-1 experiment impact process(no protective layer)

對設(shè)有防護(hù)層的情況，從圖4中(a)～圖4(d)中可以看到落錘沖擊時，正對攝像機(jī)方向的防護(hù)層由于沖擊作用而向上翹起，落錘發(fā)生明顯的回彈、翻滾，其底部RC板沒有明顯的變化。

對未設(shè)防護(hù)層的情況，由圖5中(a)～圖5(d)觀察可得，沖擊過程中RC板下表面混凝土崩落，落錘也發(fā)生了明顯的回彈。

由高速攝像機(jī)的記錄速度和落錘第一次回彈時刻的照片幀數(shù)計(jì)算得到落錘沖擊過程中的沖擊持續(xù)時間。對于無防護(hù)情況的第4組試驗(yàn)，因高速攝像機(jī)的記錄速度偏小，落錘沖擊持續(xù)時間改為由落錘內(nèi)加速度過程記錄判定。1～4組試驗(yàn)的沖擊持續(xù)時間如表2所示。

表2 落錘沖擊持續(xù)時間

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

將1～4組試驗(yàn)的前后試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行整理，通過對比觀察試驗(yàn)前后防護(hù)層的S形鋼與EPS泡沫夾芯板的變化情況，以及RC板在試驗(yàn)前后的改變，對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行簡要說明。

圖6為1～4組試驗(yàn)前后的對比照片。主要試驗(yàn)現(xiàn)象如下：

(1)1～3組試驗(yàn)中，設(shè)有防護(hù)層的RC板抵御了不同沖擊能量下的落錘沖擊，3組試驗(yàn)的防護(hù)層都受到落錘沖擊作用產(chǎn)生了大面積的破壞。其中夾芯板和部分S形鋼都產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形，它們之間的連接也出現(xiàn)了松動。

(2)1～3組試驗(yàn)中，防護(hù)層的整個夾芯板受落錘沖擊作用產(chǎn)生了明顯的彎曲變形，3組試驗(yàn)的夾芯板產(chǎn)生了90～110 mm的不同塌陷。中間被砸部位向內(nèi)塌陷形成半徑為100～180 mm、深度為50～120 mm的圓形坑。其中一部分夾芯板被擠壓到S形鋼之間的縫隙處，夾芯板上下表面彩鋼板發(fā)生了局部破裂，部分彩鋼板與EPS芯材剝離。

(3)1～3組試驗(yàn)落錘落點(diǎn)位置下的兩根S形鋼都產(chǎn)生了無法恢復(fù)的變形，S形鋼由160 mm高被壓縮至10～130 mm，而遠(yuǎn)離落點(diǎn)的幾根S形鋼沒有發(fā)生明顯的變形。結(jié)合落錘落點(diǎn)的位置，隨著落錘沖擊能量的增加，同一類型的防護(hù)層，落點(diǎn)下方兩根S形鋼的壓縮變形尺寸明顯變大。通過增加S形鋼的根數(shù)，發(fā)現(xiàn)落點(diǎn)下方兩根S形鋼的壓縮變形尺寸顯著減小。

(4)第1組、第3組試驗(yàn)后RC板沒有發(fā)生明顯的破壞，其上下表面沒有出現(xiàn)肉眼可見的混凝土裂縫。第2組試驗(yàn)S形鋼間距較大，防護(hù)層緩沖性能發(fā)揮有限，導(dǎo)致RC板上表面部分混凝土破裂，下表面產(chǎn)生1～3條肉眼可見的混凝土裂縫。第4組試驗(yàn)后，RC板由于未加任何防護(hù)，受到落錘直接沖擊而導(dǎo)致破壞，上表面產(chǎn)生了一個半徑為5 cm的圓形淺坑，且坑內(nèi)混凝土被壓實(shí)，下表面混凝土受沖擊作用發(fā)生崩落，產(chǎn)生了半徑為45 cm的圓形破壞面，露出的板內(nèi)鋼筋明顯彎曲，但未發(fā)生斷裂。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)象對比Fig.6 The contrast experiment phenomenon

2.4 試驗(yàn)分析

1～3組試驗(yàn)中，夾芯板中的EPS泡沫這種閉孔多胞材料通過自身壓縮變形首先對沖擊能量進(jìn)行消耗，并且夾芯板的上表面由于應(yīng)力壓縮波而形成了一個圓形的陷坑，而夾芯板內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波將落點(diǎn)位置下的夾芯板擠壓到S形鋼之間的間隙處。同時夾芯板產(chǎn)生彎曲變形和撓度，并隨著沖擊能量的變化，產(chǎn)生的撓度也發(fā)生改變。

隨后，與夾芯板底部相連的S形鋼受到?jīng)_擊作用的影響產(chǎn)生了壓縮變形，中間兩根S形鋼由于受到的沖擊作用力產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形，局部屈服并發(fā)生屈曲，而其余S形鋼受到?jīng)_擊作用力后沒有產(chǎn)生任何明顯的變形。至此，沖擊能量又通過S形鋼的塑性變形被消耗了一部分，使得最終傳遞到RC板上的沖擊能量很小，保護(hù)RC板免遭破壞。而第4組試驗(yàn)，RC板沒有防護(hù)層的保護(hù)，受到落錘直接沖擊作用被貫穿。

3 試驗(yàn)監(jiān)測物理量動態(tài)分析

3.1 加速度

試驗(yàn)時，利用落錘內(nèi)置的加速度傳感器采集加速度過程，以1個落錘加速度時程曲線表示。由圖7中落錘加速度時程曲線圖可以得出：

(1)1～3組的加速度峰值都比第4組加速度峰值小。其中1～3組試驗(yàn)，從落錘下落接觸防護(hù)層上表面瞬間開始，泡沫夾芯板中閉孔多胞的EPS芯材受沖擊作用被相對的緩慢速率壓實(shí)，此時間段加速度平緩遞增。大約持續(xù)0.024 s時間后，沖擊力傳遞到S形鋼上，S形鋼發(fā)生塑性變形被壓縮，導(dǎo)致加速度瞬間增加并達(dá)到峰值，然后沖擊力傳遞到RC板上，加速度迅速減少。

(2)第4組試驗(yàn)，落錘沖擊板的碰撞為彈塑性碰撞，從落錘下落接觸RC板上表面瞬間開始，加速度突然增加到峰值，然后迅速減少到大約為峰值的2/5后，由于RC板受沖擊作用發(fā)生了混凝土崩落，導(dǎo)致后面的加速度較緩慢地減小。而第5組為小高度的無防護(hù)試驗(yàn)，落錘沖擊板的碰撞接近于彈性碰撞，從落錘接觸RC板上表面瞬間開始，加速度迅速增加到峰值然后迅速減小。

1～4組落錘加速度相關(guān)分析數(shù)據(jù)如表3所示。通過在沖擊時間內(nèi)將落錘加速度進(jìn)行數(shù)值積分可以得到此時間段落錘的沖擊速度、平均沖擊力以及沖量，計(jì)算公式為

沖擊速度

(1)

平均沖擊力

(2)

沖量

(3)

式中：m為落錘的質(zhì)量，數(shù)值大小如表1所示；tk為落錘接觸防護(hù)層或RC板上表面瞬間產(chǎn)生的加速度所對應(yīng)的時間；Δt為落錘沖擊持續(xù)時間；a(t)為落錘在沖擊持續(xù)時間Δt內(nèi)的加速度變量。

圖7 動態(tài)加速度時程曲線Fig.7 The time curves of dynamic acceleration

表3中給的沖擊持續(xù)時間按落錘加速度過程判定。通過對試驗(yàn)采集的落錘加速度數(shù)據(jù)積分，得到表3中計(jì)算的沖擊速度與表1中由落錘高度計(jì)算的沖擊速度相比吻合較好，說明測試及采集系統(tǒng)測得的加速度數(shù)據(jù)結(jié)果可信。

從表3中1～2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：落錘沖擊采用了同種類型防護(hù)層的RC板，隨著沖擊能量的增大，落錘沖擊過程中產(chǎn)生的沖量遞增，落錘加速度峰值和落錘產(chǎn)生的最大沖擊力變大，而落錘的沖擊持續(xù)時間卻變短。

由表3中2～4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可得：同等沖量條件下，落錘沖擊設(shè)有防護(hù)層的RC板，其落錘加速度峰值和最大沖擊力只達(dá)到直接沖擊RC板的一半左右，平均沖擊力也減小到1/7～1/6，沖擊持續(xù)時間增大了5～6倍。利用以時間換距離的能量吸收特征，即沖擊持續(xù)時間越長，沖擊力幅值就越小，從而降低了落錘對RC板的碰撞損傷，實(shí)現(xiàn)防護(hù)層緩沖及耗能功能。還需進(jìn)一步說明的是有防護(hù)情況下的沖擊力是直接作用于防護(hù)層上的，傳遞到RC板上沖擊力會進(jìn)一步均化且更小。

表3 落錘加速度相關(guān)分析數(shù)據(jù)

第2組試驗(yàn)時，落點(diǎn)位置可能位于中間兩根S形鋼之間，S形鋼塑性耗能少會造成加速度峰值大，防護(hù)層緩沖性能受限。對比2～3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，通過減小S形鋼間距和增加S形鋼根數(shù)的方法能夠?qū)⒙溴N最大沖擊力減小20%左右，沖擊持續(xù)時間增加5%以上。所以可以用這種方法來提高防護(hù)層的緩沖性能。

如果將落錘視為剛體，落錘沖擊時的沖擊力可按其質(zhì)量與加速度的乘積計(jì)算。

為了便于對比分析不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果，引入一個無量綱的沖擊力能比系數(shù)

(4)

式中：F為落錘的最大沖擊力或?yàn)闆_擊作用下RC板產(chǎn)生的最大沖擊反力，kN；d為RC板厚，m；E為落錘的沖擊能量，kJ。

5組試驗(yàn)計(jì)算的沖擊力能比系數(shù)如表4所示。以第5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，通過對比表4中計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1～4組試驗(yàn)的沖擊力能比系數(shù)值都遠(yuǎn)小于第5組。其中，設(shè)有防護(hù)層1、3組試驗(yàn)沖擊力能比系數(shù)比第2組要小，對應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象中RC板沒有發(fā)生破壞，而第2組對應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象中RC板上產(chǎn)生了肉眼可見的混凝土裂縫。第4組為無防護(hù)試驗(yàn)，計(jì)算的沖擊力能比系數(shù)明顯比有防護(hù)層的1～3組試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果大。

表4 沖擊力能比系數(shù)

通過沖擊力能比系數(shù)能夠反映防護(hù)體系的緩沖效果。對于小高度落錘直接沖擊情形，落錘與試驗(yàn)板碰撞接近于彈性碰撞，耗能比率最小，λ最大。對于大高度落錘直接沖擊情形，落錘與試驗(yàn)板碰撞時，發(fā)生彈塑性碰撞，耗能比率較大，因板底材料崩落，λ次之。對設(shè)有防護(hù)層情形，落錘沖擊防護(hù)層時因防護(hù)層吸能，耗能比率最大，延長沖擊持續(xù)時間，λ最小。

3.2 支座反力

通過RC板四個角下支座力傳感器，測得1～4組試驗(yàn)的反力過程，其中1-1試驗(yàn)的反力時程曲線圖如圖8所示，圖中1-1-1表示為第1組第1次試驗(yàn)1號支座動態(tài)反力。由反力時程曲線可得：

圖8 反力時程圖曲線Fig.8 The time curves of counter force

(1) 當(dāng)防護(hù)層受到落錘沖擊瞬間，泡沫夾芯板中閉孔多胞的EPS芯材受到?jīng)_擊作用消耗部分沖擊能量并被壓實(shí)，RC板四角的動態(tài)反力相對緩慢遞增。然后沖擊力傳遞到S形鋼上，RC板四角的動態(tài)反力迅速增加。隨著沖擊力傳遞到RC板上，RC板四角的動態(tài)反力又迅速減小。

(2) 由于沖擊落點(diǎn)與板心的偏差，防護(hù)層整體強(qiáng)度不同等一些試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致同一次試驗(yàn)，各支座的反力幅值和沖擊時間也不一樣。

通過進(jìn)行反力對沖擊時間的數(shù)值積分求得沖擊過程中的反力沖量，其中合沖量的計(jì)算公式為

P合=P1+P2+P3+P4

(5)

式中，P1、P2、P3、P4為每組試驗(yàn)的四個支座反力沖量值，計(jì)算數(shù)據(jù)見表5。

表5 反力相關(guān)分析數(shù)據(jù)

計(jì)算5組試驗(yàn)反力的沖擊力能比系數(shù)，并選取第5組試驗(yàn)的計(jì)算數(shù)據(jù)為參照，由表5可得：

(1)1～4組試驗(yàn)的沖擊力能比系數(shù)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第5組。第4組試驗(yàn)后，混凝土崩落帶走了部分沖擊能量，導(dǎo)致1～3組試驗(yàn)中存在部分沖擊力能比系數(shù)值比第4組試驗(yàn)中的個別值大。比較1～4組試驗(yàn)的沖擊力能比系數(shù)基本符合由前面加速度計(jì)算的沖擊力能比系數(shù)得到的結(jié)論。

(2)對比第1組、第2組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊能量的增大，RC板受到的反力增加，反力產(chǎn)生的沖量也增大，沖擊力能比系數(shù)基本呈現(xiàn)遞增的趨勢，四根S形鋼的防護(hù)層的緩沖性能逐步達(dá)到極限。

(3)由第2組、第3組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6根S形鋼的防護(hù)層與只有4根S形鋼的防護(hù)層相比，能夠使沖擊時產(chǎn)生的反力減小，降低反力產(chǎn)生的沖量和沖擊力能比系數(shù)，提升了防護(hù)層的緩沖性能。再次證明了通過減小S形鋼間距和增加S形鋼根數(shù)是提高防護(hù)層緩沖性能的一種可行的方法。

3.3 RC板底應(yīng)變及應(yīng)變率分析

沖擊試驗(yàn)時，通過在RC板底粘貼鋼筋與混凝土應(yīng)變片采集沖擊過程中的應(yīng)變過程。圖9為2-1試驗(yàn)的部分鋼筋與混凝土應(yīng)變時程曲線圖，圖中2-1-1表示為第2組第1次試驗(yàn)1號應(yīng)變，其中2-1-1應(yīng)變和2-1-2應(yīng)變?yōu)殇摻顟?yīng)變，剩余的為混凝土應(yīng)變。從圖9可以看到除了2-1-4混凝土應(yīng)變片由于所受應(yīng)力過大被破壞，其余應(yīng)變只發(fā)生了多次往復(fù)的波動。

圖9 鋼筋與混凝土應(yīng)變時程曲線Fig.9 The time curves of reinforced and concrete strain

由鋼筋與混凝土應(yīng)變時程曲線可得到在沖擊過程中RC板中的鋼筋和混凝土受沖擊作用發(fā)生的應(yīng)變變化情況。假設(shè)在沖擊過程中RC板內(nèi)鋼筋僅發(fā)生彈性應(yīng)變，則算出鋼筋受沖擊作用產(chǎn)生的最大應(yīng)力，計(jì)算公式為

σmax=E·εmax

(6)

式中：E為鋼筋的彈性模量，取為2.0×105MPa；εmax為沖擊作用下RC板內(nèi)鋼筋產(chǎn)生的最大應(yīng)變。

鋼筋與混凝土最大應(yīng)變速率計(jì)算公式為

(7)

式中：εi為鋼筋和混凝土應(yīng)變片在某一時間點(diǎn)上的應(yīng)變大??；ti為鋼筋和混凝土應(yīng)變片在某一時間點(diǎn)上產(chǎn)生應(yīng)變所對應(yīng)的時間。1～4組試驗(yàn)的鋼筋與混凝土應(yīng)變變化情況如表6所示。

表6 鋼筋與混凝土應(yīng)變變化

第2組試驗(yàn)的混凝土應(yīng)變片和第4試驗(yàn)的鋼筋與混凝土應(yīng)變片均被破壞，無法確定對應(yīng)的最大應(yīng)變和求得相應(yīng)的最大應(yīng)力，只能求得最大應(yīng)變率。而試驗(yàn)中混凝土的最大應(yīng)變是應(yīng)變片測得范圍內(nèi)的應(yīng)變平均值，由此計(jì)算的最大應(yīng)力不是真實(shí)值。所以在表6中均沒有相應(yīng)數(shù)據(jù)。

通過表6中計(jì)算的鋼筋與混凝土最大應(yīng)力和最大應(yīng)變率可得：

(1)1～4組試驗(yàn)，無防護(hù)層的RC板內(nèi)鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率數(shù)量級都達(dá)到了105s-1，而設(shè)有防護(hù)層的RC板，鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率的數(shù)量級為10-2～103s-1。其中第2組試驗(yàn)，因?yàn)榉雷o(hù)層的緩沖性能有限，使得RC板產(chǎn)生了混凝土裂縫，混凝土的最大應(yīng)變率的數(shù)量級達(dá)到了103s-1。

(2)實(shí)測RC板內(nèi)鋼筋屈服強(qiáng)度為480 Mpa，1～3組試驗(yàn)由應(yīng)變片所測應(yīng)變換算鋼筋應(yīng)力均沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度，且隨著防護(hù)層緩沖性能的降低，鋼筋最大應(yīng)變增大。

4 結(jié) 論

通過5組試驗(yàn)取得了落錘沖擊不同條件下防護(hù)層的試驗(yàn)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，探討分析防護(hù)層的緩沖性能，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 得到了各種情況下沖擊加速度隨時間變化的形態(tài)。設(shè)有防護(hù)層情形，從落錘下落接觸防護(hù)層上表面瞬間開始，加速度平緩遞增，持續(xù)一段時間后，加速度迅速增加到峰值，然后又迅速減小至最小值；大高度無防護(hù)層情形，從落錘下落接觸RC板上表面瞬間開始，加速度突然增加到峰值，隨后加速度先迅速減小一部分，然后較緩慢地減小至最小值；而小高度的無防護(hù)情形，加速度一開始就迅速增加到峰值然后又迅速減小至最小值。

(2) 沖擊過程中，防護(hù)層主要通過泡沫夾芯板中閉孔多胞的EPS芯材和S形鋼的塑性變形消耗落錘的大部分沖擊能量，同時減小落錘的沖擊力和作用到RC板上的沖擊效果，降低了落錘對RC板的碰撞損傷，實(shí)現(xiàn)了其緩沖及耗能的性能，保護(hù)了RC板免遭落錘沖擊破壞。

(3) 落錘沖擊設(shè)有防護(hù)層的RC板，與直接沖擊RC板對比，沖擊持續(xù)時間延長了5～6倍，最大沖擊力降低了一半，平均沖擊力減小到1/7～1/6，鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率數(shù)量級由105s-1降至103～10-2s-1。隨著沖擊能量的增大，沖擊過程中S形鋼布置間距與根數(shù)是影響防護(hù)層緩沖性能的主要因素。

致謝：

現(xiàn)場試驗(yàn)需要多人合作，周期長。周瑞、王棟、李翰林、常懿德、朱超奇、宇文迪等人參加了現(xiàn)場試驗(yàn)，在此表示感謝。

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