王 偉，李雨城,孫 強

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601;2.安徽三聯(lián)學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

實際工程中素混凝土梁并不多見，大部分受彎結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土結(jié)合的形式，但素混凝土梁依舊有研究價值。即使針對單一材料，不同應(yīng)力狀態(tài)下也可以有迥異的破壞形式，但從宏觀尺度觀察，混凝土屬于典型脆性材料。素混凝土梁除去準(zhǔn)靜態(tài)載荷的影響外，還可能經(jīng)常受到?jīng)_擊，爆炸等瞬時載荷作用[1]。故研究素混凝土梁在沖擊載荷下的脆性破壞很有實際意義?；诖朔N問題，本文通過Johnson-Cook計算模型[2]，研究素混凝土梁承受跨中豎向沖擊載荷時的力學(xué)響應(yīng)。

1 Johnson-Cook計算模型

Johnson-Cook計算模型[3]的描述如下：

式中:σ*為歸一化等效強度，且σ*=σ/fc′，σ為真實等效強度，fc′為準(zhǔn)靜態(tài)下單軸抗壓強度;P*為歸一化壓力，且P*=P/fc′,P為真實壓力;D(0D1)為損傷因子;為等效應(yīng)變率，且為真實應(yīng)變率，為參考應(yīng)變率;A為歸一化黏聚強度;B為歸一化壓力硬化系數(shù);N為壓力硬化指數(shù);C為應(yīng)變率系數(shù)。

2 數(shù)值計算

2.1 模型工況

素混凝土梁跨中作用有鐵砧豎向沖擊載荷，初始參數(shù)素混凝土梁長114mm,截面為20mm×20mm跨中直角缺口尺寸為9.32mm，其上鐵砧質(zhì)量為1.5kg，沖擊速度為2.5m/s，梁底端部鉸支，如圖1所示：

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 網(wǎng)格劃分，邊界條件及計算

采用線性減縮積分單元，正六面體網(wǎng)格，中性軸算法劃分網(wǎng)格；在顯式動力學(xué)分析步設(shè)置接觸類型為面面接觸，有限滑移；鐵砧，梁頂面分別為主從面；采用罰函數(shù)接觸算法[4]。最終計算所得Mises應(yīng)力云圖如圖2：

圖2 Mises應(yīng)力云圖

3 素混凝土梁參數(shù)對比分析

從微觀角度可以解釋混凝土材料的破壞是由于內(nèi)部微裂縫的發(fā)展[5]，宏觀層面更好的方法是引入損傷因子與等效強度作為材料損傷演化指標(biāo)[6]。

考慮不同素混凝土梁抗壓強度等級，對等效強度σ的影響見表1。

表1 不同素混凝土梁抗壓強度等級下的等效強度σ

考慮不同截面尺寸，對等效強度σ的影響見表2。

表2 不同素混凝土梁截面尺寸下的等效強度σ

考慮不同支承條件，對等效強度σ的影響見表3。

表3 不同素混凝土梁支承條件下的等效強度σ

等效強度數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果在考慮不同素混凝土梁抗壓強度等級時，所得對比曲線如圖3:

圖3 等效強度數(shù)值與理論結(jié)果隨素混凝土梁抗壓

強度等級變化對比曲線

4 結(jié) 語

1)采用數(shù)值計算方法所得沖擊載荷下素混凝土梁力學(xué)響應(yīng)與理論計算結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，驗證了計算結(jié)果的可靠性。

2)混凝土抗壓強度等級，素混凝土梁橫截面尺寸的增大，對于素混凝土梁受沖擊載荷時均有較大提升作用，實際應(yīng)用可綜合經(jīng)濟性等其他因素，靈活選取結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

3)素混凝土梁受沖擊載荷時的力學(xué)性能隨著邊界約束的加強實現(xiàn)較大提升，工程中應(yīng)重視邊界條件的加強。