撞擊作用下自復(fù)位RC柱損傷分析*

張西沖， 劉長勛

(同濟大學結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

0 引 言

目前國內(nèi)外學者已采用LS-DYNA軟件對鋼筋混凝土構(gòu)件抗撞性能開展了部分研究。Pham等[1]對鋼筋混凝土(RC)梁在撞擊荷載作用下的塑性鉸和慣性力開展了數(shù)值分析。孟一[2]對RC梁的抗撞性能開展了數(shù)值分析，主要為鉸支約束的梁抗力模型提供理論依據(jù)。曾翔等[3-4]對RC梁的抗撞性能開展了相關(guān)研究，主要分析了RC梁和RC深梁的動力特性。Kishi等[5]對不同配筋率RC梁的抗剪承載力開展數(shù)值分析，主要研究了等效靜力抗剪荷載的計算方法。陳林[6]建立了RC梁的落錘有限元模型，并驗證了等代車-橋撞擊(CMCD)簡化模型用于數(shù)值分析的合理性。Fujikake等[7]通過建立RC梁的落錘有限元模型，驗證了梁在撞擊作用下的荷載和位移理論計算公式。周德源、劉長勛[8]深入分析了橋墩在撞擊荷載作用下的破壞機理和受力狀態(tài)，并進一步研究橋墩在撞擊荷載作用下動力響應(yīng)與損傷程度的影響參數(shù)。為了進一步探究自復(fù)位結(jié)構(gòu)對于RC橋墩水平撞擊的影響，通過在文獻[8]原有模型基礎(chǔ)上加入預(yù)應(yīng)力鋼筋，建立自復(fù)位混凝土柱模型，得到了預(yù)應(yīng)力下的損傷分布情況，并進一步分析了其損傷過程及受力機理。

圖1 自復(fù)位混凝土柱示意圖

圖2 撞擊車和自復(fù)位混凝土柱組裝模型

1 有限元建立

混凝土柱選擇 MAT_145材料本構(gòu)來模擬，撞擊車、普通鋼筋以及撞擊速度、接觸設(shè)置均與文獻[8]所驗證的模型保持相同，并分別采用拉格朗日流固耦合法及共節(jié)點法模擬預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的接觸見圖1和表1。

表1 自復(fù)位混凝土柱設(shè)計參數(shù)

根據(jù)對有限元模型的多組工況進行參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)自復(fù)位混凝土柱在撞擊荷載作用下的動力響應(yīng)具有相似的發(fā)展規(guī)律，且并不容易發(fā)生剪切破壞。同文獻[8]選取同樣的一組典型工況來對撞擊荷載作用下自復(fù)位預(yù)應(yīng)力混凝土柱的動力響應(yīng)過程進行分析介紹，組裝模型及工況主要參數(shù)見圖2及表2。

表2 撞擊工況主要參數(shù)

2 損傷形態(tài)分析

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

圖3為自復(fù)位混凝土柱在上述撞擊工況作用下，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的 Von-Mises 應(yīng)力云圖。撞擊初始時刻，自復(fù)位柱在撞擊作用下會獲得初速度，隨后在預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用下自復(fù)位柱會繞中軸線發(fā)生擺動，由于結(jié)構(gòu)體系本身阻尼的存在，因此自復(fù)位柱的振動實際上是有阻尼受迫振動，在振動過程中系統(tǒng)能量不斷耗散直至最后靜止，整個過程比普通撞擊過程的模擬需要更長的計算時間。應(yīng)力云圖呈現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力鋼絞線在撞擊加載過程及卸載過程中的應(yīng)力變化。

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

圖3表現(xiàn)了撞擊加載過程下預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力變化，從應(yīng)力云圖可以看出在分析初始時刻，鋼絞線中預(yù)應(yīng)力已經(jīng)施加成功，在第20ms時，受車輛撞擊鋼絞線中應(yīng)力開始增大，并出現(xiàn)變形，此時左側(cè)鋼絞線的應(yīng)力增加更快，隨著撞擊車輛的繼續(xù)運動，鋼絞線的軸向變形及應(yīng)力持續(xù)增大，能夠看出左側(cè)鋼絞線的應(yīng)力遠遠大于另外兩根鋼絞線的應(yīng)力，這是由于左側(cè)鋼絞線的軸向變形更大，隨著撞擊過程發(fā)展，撞擊車輛運動速度逐漸減小至0，此時鋼絞線應(yīng)力達到最大1691MPa。

2.2 縱筋與箍筋

圖4為自復(fù)位混凝土柱中鋼筋的 Von-Mises 應(yīng)力云圖。整個撞擊過程大概分為撞擊加載階段、撞擊后的自由振動階段。在第一個階段中觀察鋼筋的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，自復(fù)位混凝土柱放松了基礎(chǔ)與柱腳之間的約束，在車輛撞擊荷載的作用下自復(fù)位柱發(fā)生剛體位移，導(dǎo)致撞擊能量大部分轉(zhuǎn)換為自復(fù)位混凝土柱的動能，降低了自復(fù)位柱受到的撞擊力，因此自復(fù)位柱中鋼筋始終處于低應(yīng)力狀態(tài)，而撞擊部位處應(yīng)力約為普通鋼筋混凝土柱的 1/3。

在撞擊車回彈階段，自復(fù)位柱中鋼筋應(yīng)力變化不明顯，遠低于屈服應(yīng)力，而普通鋼筋混凝土柱中鋼筋相比于撞擊時刻，會發(fā)生應(yīng)力卸載，但由于撞擊過程較為短暫，不能充分卸載，因而撞擊部位處鋼筋應(yīng)力依舊明顯高于其他部位。

2.3 混凝土

圖5為撞擊荷載作用下自復(fù)位混凝土柱的混凝土等效塑性應(yīng)變云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在0時刻，混凝土無任何損傷，20ms時在撞擊車頭的作用下整體發(fā)生平動，此時撞擊部位出現(xiàn)明顯局部損傷，同時沖擊波的影響使從撞擊部位至背部斜向45°范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的損傷，這是因為撞擊能量主要在這個范圍內(nèi)通過混凝土的變形傳遞，發(fā)生了明顯的剛體移動，柱底部與基礎(chǔ)之間由于摩擦的作用，柱底表面混凝土出現(xiàn)了損傷，甚至有少量混凝土單元刪除。對比圖4普通鋼筋混凝土柱等效塑性應(yīng)變云圖，可以發(fā)現(xiàn)在撞擊作用下自復(fù)位混凝土柱混凝土損傷主要是撞擊部位及背部斜向的塑性變形，而在撞擊部位與底部基礎(chǔ)間沒有明顯的剪切斜裂縫。

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

(a)0 (b)20ms (c)60ms (d)80ms (e)90ms (f)110ms

3 結(jié) 論

基于自復(fù)位混凝土柱水平撞擊試驗有限元模型，通過多次有限元模擬，深入分析了撞擊作用下中自復(fù)位混凝土柱受力機理及損傷發(fā)展過程，在車輛撞擊作用下預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的階段特征，縱筋及箍筋除撞擊時刻外一直處于低應(yīng)力狀態(tài)；而自復(fù)位混凝土柱損傷呈現(xiàn)出明顯局部分布的特點，主要集中于撞擊處及混凝土柱與基礎(chǔ)接觸表面，不會發(fā)生剪切破壞，這與普通混凝土柱由于剪切斜裂縫而破壞有明顯不同。