碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤评估及防护技术

以刚性球撞击钢筋混凝土柱为例,研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤程度评估以及防护技术。在钢筋混凝土柱粘结滑移模型基础之上,提出了一种基于竖向剩余承载力的损伤评估准则,用来判定碰撞冲击荷载下钢筋混凝土柱损伤破坏程度;并定量分析了刚性球质量、初速度与结构柱损伤度的关系。针对复合截面防护的情形,对碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱防护前后的动态响应及损伤进行了分析,并对比了外粘钢板及外敷泡沫铝两种防护措施的防护效果。结果表明:刚性球质量及速度在较小范围内时,损伤度的增长速率高于质量及速度的增长速率,且以质量和速度同时增加时损伤度增长最快;当刚性球质量及速度达到一定数值后,损伤度的增长速率一般会低于刚性球质量及速度的增长速率。外粘钢板、外敷泡沫铝两种复合截面防护方法均能有效降低碰撞冲击下钢筋混凝土柱的动态响应及损伤程度,且均能使钢筋混凝土柱的整体破坏模式由弯剪破坏向弯曲破坏转变。     

累计冲击荷载作用下GFRP-混凝土组合梁动态响应分析

为探究玻璃纤维复合材料(glass fiber reinforce plastic, GFRP)-混凝土组合梁在多次落石冲击荷载下的动态响应,采用摇臂式落锤试验机,对1根纯GFRP梁及4根GFRP-混凝土组合梁进行累计冲击试验,得到了不同工况下试验梁位移、冲击力、应变时程曲线及裂缝开展状态,并分阶段讨论了梁体损伤演化过程。试验结果表明：纯GFRP梁具有优异的抗冲击性能,但冲击荷载作用下变形过大;组合梁的破坏特征均为混凝土主裂缝贯通,GFRP-混凝土界面发生剥离,良好的界面黏结性能是确保GFRP-混凝土组合梁抗冲击性能提升的关键;竖向冲击荷载下,混凝土厚度的增大,可明显减小同一冲击高度下梁体跨中的变形响应;试验梁抵抗侧向冲击的能力优于其抵抗竖向冲击的能力。采用显示动力分析软件LS-DYNA建立了GFRP-混凝土组合梁累计冲击模型,并基于该模型分析了冲击锤质量、冲击速度及截面高度比等参数对GFRP混凝土组合梁动态响应的影响规律。     

高温与冲击耦合作用下双钢管混凝土柱动态响应数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究双钢管混凝土(concrete-filled double-tube,CFDT)柱在高温下的抗冲击性能,利用ABAQUS有限元软件建立CFDT柱在高温与冲击耦合作用下的有限元模型,考虑材料的温度软化、应变率强化效应以及轴力的影响,并通过已有CFDT柱的火灾试验和常温下侧向冲击试验进行了分段验证。在此基础上,从冲击力、跨中位移、荷载分布情况与损伤演化等方面分析了不同温度下CFDT柱的抗冲击动态响应,并考虑了不同截面形式、轴压比、冲击速度和混凝土强度对CFDT柱抗冲击性能的影响。研究结果表明,在高温与冲击耦合作用下,CFDT柱主要呈现弯曲破坏,随着温度升高,CFDT柱抗冲击性能和抗弯承载力逐渐降低。CFDT柱的耐火极限是普通钢管混凝土柱的2.1倍。轴力对CFDT柱抗冲击性能产生不利影响,当轴压比从0增加到0.6,高温800℃时构件冲击力平台值下降了32.4%;混凝土强度对高温下CFDT柱抗冲击性能有显著影响,高温800℃时混凝土强度由40 MPa增加到60 MPa,构件冲击力平台值提高了22.8%。     

钢筋混凝土柱加载试验AE监测研究

利用声发射(Acoustic Emission,AE)技术分析动、静态加载下钢筋混凝土柱的断裂、损伤特性。用40mm/s,0.1mm/s两加载速率分别进行钢筋混凝土柱多维循环加载试验。据AE的b值理论捕捉宏观裂纹开始拓展时刻荷载状况,提出用定义宏观开裂发生荷载与极限荷载之比评估钢筋混凝土结构损伤;并对比分析动、静态加载实验中钢筋混凝土柱宏观裂纹初始荷载状况与损伤增长速率。结果表明,利用b值理论即声发射信号幅值分布变化,能捕捉到钢筋混凝土柱裂纹宏观拓展时刻;与静态加载相比动态加载时宏观裂纹的形成所需荷载更小,动态加载更易导致宏观裂纹形成;AE事件累计时间参数能清晰反映钢筋混凝土柱的损伤增长速率,且加载速率高的构件损伤速率高于加载速率低的构件,高加载速率更易导致、加剧结构损伤。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

考虑温度效应的橡胶混凝土阻尼耗能性能试验研究

为探讨橡胶混凝土材料的阻尼耗能性能,在常温和低温条件下,橡胶粒径为20目、四种橡胶掺量的混凝土棱柱体试块进行轴向压-压滞回试验,得到了橡胶混凝土材料力-位移滞回曲线,据此分析橡胶混凝土材料阻尼耗能性能的变化规律。结果表明,低温作用后,橡胶混凝土材料压-压滞回曲线趋于饱满,耗能性能明显增大;加载力幅值水平越大,橡胶混凝土的阻尼损耗因子越大,低温下的提高幅度小于常温情况;随着橡胶掺量的增加,橡胶混凝土在低温下的滞回总耗能增长速率高于常温情况;橡胶掺量越大,其阻尼损耗因子提高的速率越显著。     

钢筋混凝土剪力墙在冲击荷载作用下的数值模拟分析

为了研究钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的性能,首先利用LS-DYNA软件建立有限元模型对已有的试验进行了模拟,模拟结果和试验数据吻合良好证明了模型的正确性。在此基础上建立了7组28个钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的LS-DYNA有限元模型,分析冲击能量、冲击质量、轴压比和配筋率等因素对钢筋混凝土墙体抗冲击性能的影响;结果表明:冲击质量相同时,冲击能量和墙中部最大位移成线性增长的关系;而冲击能量相同时,冲击质量的改变将影响冲击过程中能量在钢筋和混凝土中的分配;随着冲击质量减小冲击速度增大,混凝土局部损伤加重,钢筋吸收能量减小,变形消耗的能量减小导致位移减小;轴压比小于0.3时,轴力对抗冲击能力有利,小轴压比的情况下可以不考虑轴力进行设计,结果偏于安全。通过对基于能量的设计方法进行讨论,提出了利用墙板塑性铰线法的静力设计方法来抵抗对应冲击能量作用下的设计思路,并总结了设计流程且对公式中的参数给出了建议取值。     

冲击荷载作用下混凝土动态本构模型的研究

基于混凝土冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为屈服法则,引入损伤,构造了一个动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性。宏观上,假设混凝土材料是一个均匀连续体;而从细观角度来看,混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤。假设微裂纹均匀分布,且符合理想微裂纹体系统条件,定义含裂纹材料中单位体积内微裂纹所占的比例来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化,并给出了损伤的演化方程。通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

考虑几何尺寸和物性参数影响的铝硅闭孔泡沫材料冲击吸能性能分析

几何尺寸和物性参数对铝硅闭孔泡沫材料动态力学性能影响较大。消除材料自身尺寸效应的影响,采用落锤冲击实验方法对不同几何尺寸和物性参数的泡沫材料进行冲击实验,研究几何尺寸和物性参数对材料冲击吸能特性的影响。冲击实验结果表明:(1)材料几何高度增加,冲击作用下应变值减小,吸能量却有减小趋势,说明材料几何高度增大,极易产生材料孔壁破裂或整体失稳破坏,造成材料抵抗冲击载荷能力降低,立方体试件高宽比在1.0～1.5之间为宜,圆柱体试件高宽比为1.0～2.0时缓冲吸能作用发挥较好;(2)随着材料直径增大,抗压强度值增加,且峰值后降低幅值减小,应变值逐渐减小,说明材料直径的增加提高了抗压强度值,增强了材料抗冲击能力,但直径增加有一定界限,圆柱和立方体高宽比为1.0左右为宜;(3)材料密度越大,抗压强度值也越高,但峰值后的突降也越大;材料孔隙度越大,抗压强度值越小,材料易产生破坏,抗冲击能力也较低;材料孔径增大,抗压强度值降低,但变形量增加,受冲击载荷作用影响较大;(4)对比结果得到冲击吸能效果良好的泡沫材料合理物性参数,密度为0.35～0.70g/cm3,孔隙度为65%～87%,孔径为1.0～4.0mm。     

外包橡胶混凝土覆层对梁式桥墩防撞性能影响的试验研究

提出将橡胶混凝土以覆层形式外包在桥墩一定高度范围内以提高其防撞减振和能量耗散能力,试验研究了不同橡胶粒径、体积掺量的橡胶混凝土的基本力学性能;其次利用摆锤撞击模型墩柱试验,并结合ABAQUS/Explicit非线性动态碰撞仿真分析,研究了橡胶混凝土覆层对模型墩柱的自振特性、不同撞击速度下的撞击响应峰值及振动衰减规律的影响。结果表明,虽然橡胶混凝土强度、弹模较普通混凝土较低且受橡胶掺量影响显著,但橡胶混凝土覆层兼具防撞和减振的双重优势,可使撞击力峰值减小12.93%~15.87%,墩顶位移减小13.10%~32.11%,墩底应变减小13.1%~46.13%,还能增强原桥墩的主动耗能能力。该形式防撞装置可为桥墩提供有效保护且符合绿色环保的理念,值得推广。     

钢管RPC抗冲击压缩特性及极限强度确定方法

采用74 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验装置,分别对20块钢管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube,钢管RPC)和20块RPC试件进行了不同加载速率的冲击压缩试验,得到了不同应变率下的动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变,分析了试件的破坏特征。在钢管混凝土静态轴向极限承载力计算公式基础上引入应变率效应,得到钢管RPC极限强度确定方法。结果表明:钢管RPC和RPC的峰值应力和峰值应变均随平均应变率增大而增大。冲击荷载作用下,钢管RPC比RPC具有更高的强度,更好的延性和完整性,是一种良好的抗冲击防护工程材料。钢管壁厚对钢管RPC动态应力-应变关系有明显影响,一定冲击速度下壁厚较薄的钢管RPC出现了明显的屈服平台和应力强化现象,峰值应变也显著增大。钢管RPC极限强度理论计算结果与试验结果存在一定的相对误差,但随着响应应变率增大相对误差逐渐减小。     

高温下钢管混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和特制高温试验炉进行了高温下钢管混凝土的抗冲击性能试验研究,通过测试高温下钢管混凝土的动态强度和应力-应变曲线,揭示温度和冲击速度(应变率)对高温下钢管混凝土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,高温下钢管混凝土仍具有良好的抗冲击性能、延性和耗能能力。在该文试验参数范围内,温度作用相比冲击速度的影响更加显著。高温下钢管混凝土动态强度受试件尺寸影响显著,后续研究工作应关注钢管混凝土动态冲击荷载作用下的尺寸效应研究。     

AFRP约束混凝土多次冲击试验研究

为研究芳纶纤维增强层复合材料（AFRP）约束条件下混凝土抗多次冲击的动态力学性能,采用Ф100 mmSHPB试验装置和超声无损检测,在相似应变率条件下,对C30,C40,C50三种基体强度等级的1~3层AFRP约束混凝土抗多次冲击动态力学性能和冲击后混凝土试件内部损伤规律进行试验研究。结果表明：各约束层数AFRP约束混凝土动态峰值应力对冲击次数不敏感,上下浮动不超过8%,稳定性良好;随着冲击次数的增加,动态峰值应变增大,内部混凝土损伤增大,损伤因子与冲击次数呈线性关系;AFRP约束混凝土内部损伤在达到普通混凝土极限损伤后仍能保持试件完整,具备对抗下次冲击的能力。     

冲击荷载下高温喷淋冷却碳纳米管混凝土破裂分形研究

在混凝土中掺入具有高强、高韧和良好热导性的多壁碳纳米管(multi walled carbon nanotubes, MWCNTs)对普通混凝土的耐高温性能进行了增强，并以分形维数为指标研究了高温喷淋冷却后碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的分形特征和能耗特性，建立了分形维数与动强度、能耗及冲击韧性之间的关系。研究结果表明：高温喷淋冷却后的混凝土在冲击载荷下，其冲击破碎块的分形维数随应变速率和温度的增大而增大；在同一温度下，混凝土的动态抗压强度、能耗和冲击韧性随着分形维数的增加而增加；在同一冲击气压下，混凝土的动态抗压强度、能耗和冲击韧性随着分形维数的增加而减小；相比而言，添加了碳纳米管后混凝土高温喷淋冷却后在冲击荷载下的破裂程度得到有效缓解，其分形维数减小，能耗、冲击韧性和动强度都得到明显提高。     

考虑接触变形的梁受到球碰撞时弹塑性冲击荷载

使用有限元数值方法模拟了考虑接触变形时弹性、弹塑性梁分别受到弹性和弹塑性球横向撞击全过程,得到具有不同刚度球、不同刚度梁、不同质量比和不同撞击速度时梁受到的弹性和弹塑性冲击荷载。从中得到如下结论:对于弹性球撞击弹性梁:随着球-梁的相对刚度值的增大,冲击荷载峰值非线性增加,球和梁的接触时间减小。随着球速的增大,冲击荷载峰值随速度近似呈线性关系增长;接触时间降低,但不呈线性关系;冲击荷载最大值不一定出现在第一次接触的时段内。速度相同时,质量比越大,球和梁接触的时间越短;冲击荷载峰值越小。对于弹性和弹塑性球撞击弹塑性梁:梁的材料非线性性质对冲击荷载影响很大,弹塑性冲击荷载峰值比弹性荷载峰值低一个量级。冲击荷载的峰值和初速度成正比,但不是线性关系。质量比越大,冲击荷载峰值越小,且球和梁接触时间越短。     

橡胶混凝土单轴受压疲劳性能研究

为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能,用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土,进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量,并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析,得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明:应力水平相同时,橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土,且随橡胶掺量的增加,混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律,橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析,可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。     

高延性混凝土板抗落石冲击性能试验研究

为了研究落石冲击荷载作用下高延性混凝土(HDC)板的抗冲击性能,对纤维掺量为0.5%、1.0%、2.0%的6块HDC板和2块普通钢筋混凝土(RC)板进行14 m高度下的落锤冲击试验,对比分析了HDC板和普通钢筋混凝土板抗冲击性能的差异以及不同纤维掺量对HDC板抗冲击性能的影响。采用高速摄像机记录了各试件的试验过程,详细分析了试件的破坏形态,冲击中心最大位移及落锤最大冲击力和冲量。结果表明:在相同的冲击荷载下,普通钢筋混凝土板被击穿,板底喷出大量混凝土碎块,破坏面整齐光滑,裂缝宽且呈十字形,钢筋未屈服,属于局部贯通破坏;HDC板产生数条由中心向四周逐步开展的裂缝,呈放射状分布,板底有少量混凝土碎块剥落,由于HDC与钢筋之间具有很好的粘结能力,钢筋屈服甚至拉断,但是整体裂而不散。落锤直接冲击RC板最小瞬时加速度为933.01g,最大冲击力914.35 kN,最大冲击时间0.021 8 s,大应变率数量级达到10~(11) s~(-1)。反观HDC板落锤直接冲击板的最小瞬时加速度较RC减小28.1%,最大冲击力减小28.1%,最大冲击时间延长0.006 s,大应变率数量级减小10~6 s~(-1)。HDC的各项参数对比均明显优于RC。表明HDC板具有良好的抗冲击性能,且纤维体积掺量为1.0%的HDC抗冲击能力最强。     

基于改进型SHPB的混凝土动力冲击研究

混凝土作为一种重要的建筑材料，其抗冲击性能关乎核电站、大坝、机库等重要结构设施的安全稳定。在动力侵彻过程中，混凝土材料内部赋存大量随机分布的微孔隙、裂隙等被激活、扩展，诱使混凝土发生宏观破坏，研究混凝土材料破坏过程中的动态破碎机理及能量消耗可直观反映材料的防护性能。笔者提出了一种基于弹体侵彻理论的改进型分离式霍普金森压杆(SHPB)动载冲击试验方法，在入射杆端部设计安装锥度为120°的圆锥形冲头，对常规混凝土、RGC(橡胶混凝土)和SFRC(钢纤维混凝土)进行动力冲击研究。通过分析改进型SHPB系统上应力波透反射效应，获得含不同掺合料混凝土试块的宏观破坏形态、破碎产物粒径分布规律和能量耗散规律。试验结果表明：RGC试块和常规混凝土破坏模式相似，宏观破裂成几个大块度试块，而SRFC在钢纤维“桥连”作用下，呈“微裂而不散，裂而不断”的破坏模式；在相同子弹冲击速度下，试块块度粒径SRFC最大、RGC次之、常规混凝土最小，表现出抗破碎能力：SRFC>RGC>常规混凝土；随入射能量的增加，材料破碎能耗均呈线性增加，其中SFRC增长分别是RGC、常规混凝土的1.074、1.49倍。     

高温后钢纤维橡胶自密实混凝土动态冲击性能

为探究高温后钢纤维橡胶自密实混凝土(steel fiber rubber self-compacting concrete, SFRSCC)的动态力学性能，采用直径为80 mm的分离式-霍普金森压杆装置对其进行动态冲击试验，在确定钢纤维最优掺量基础上重点探讨了橡胶掺量对高温后SFRSCC破碎形态、动态抗压强度、冲击韧性以及动态应力增长因子等的影响规律。试验结果表明：与常温下相同，随着橡胶掺量的增加，高温冷却后SFRSCC的动态抗压强度呈逐渐降低的趋势；与常温下相反，高温冷却后SFRSCC抵抗冲击破碎能力、冲击韧性、动态应力增长因子均随着橡胶掺量的增加呈逐渐降低的趋势。对比试验得到的动态应力增长因子与CEB-FIP建议公式计算值的差异，提出了高温后SFRSCC的动态增长因子的修正公式，修正公式的计算值与试验结果和其他文献的试验结果吻合较好，可为进一步分析探讨高温后SFRSCC动力特性提供一定参考。     

不同损伤源对玄武岩纤维增强混凝土孔隙结构变化特征的影响

为了研究玄武岩纤维增强混凝土在高温和力学两种损伤源下的孔隙结构变化特征，采用核磁共振(NMR)和扫描电镜(SEM)技术，观察试件T₂谱分布、孔径分布、孔洞和裂隙发育情况。结果表明，高温作用后基准混凝土、短玄武岩纤维增强混凝土、长玄武岩纤维增强混凝土均呈微孔数量不断减小、介孔数量不断增加的趋势。通过对比发现，长玄武岩纤维增强混凝土T₂谱主峰孔隙数量最多，孔径分布最大。以长玄武岩纤维增强混凝土为例，研究在高温和力学两种损伤源下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙结构变化特征。发现弛豫时间在0.1~10 ms内高温损伤下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙数量大于力学损伤下的孔隙数量，且随着温度升高，T₂谱主峰向右偏移，随着荷载增加，T₂谱主峰几乎不发生变化，表明温度升高更能加剧损伤，每级温度作用下新生孔径不断增大。T₂谱主峰幅值和孔径分布随温度升高不断增大，随荷载增加出现先减小后增大的现象，表明高温作用对混凝土直接构成损伤，而力学作用使混凝土先密实再产生损伤，SEM观察得到了相同的结论。