葉宇霄,胡少偉,楊金輝,王 洋,齊 浩

(1.河海大學 水利水電學院,南京 210098;2.重慶大學 土木工程學院,重慶 400045;3.武漢大學 水利水電學院,武漢 430070)

鋼筋混凝土結構是中國目前使用最為廣泛的結構形式。鋼筋混凝土建筑在服役期間可能受車輛等載具的連續(xù)撞擊、高空連續(xù)墜物和結構連續(xù)倒塌等多次沖擊作用。其中,鋼筋混凝土樓板受高空連續(xù)墜物等沖擊影響較大,后果更嚴重,且防護工程中的頂板或外墻經(jīng)常遭受多角度不同大小的沖擊作用。通過正確評估受沖擊樓板的損傷程度、提出有效的修補方案和合理的應對措施,是確保結構安全有效運維的重要舉措。因此,研究沖擊荷載下鋼筋混凝土板(RC板)的損傷和抗沖擊性能具有重要意義。

目前,國內(nèi)外對板件抗沖擊性能的研究主要以單次沖擊和多次恒重沖擊為主?？芗蚜恋萚1]開展了14 m高度下不同纖維摻量混凝土板落錘沖擊試驗,研究高延性混凝土板的抗沖擊性能。古松等[2]進行了不同長厚比、混凝土強度和荷載的素混凝土板件垂直沖擊試驗。陸觀等[3]研究了垂直沖擊荷載下變厚度復合材料板的抗沖擊性能。黃振宇等[4]研究了多次沖擊荷載下夾芯組合板的殘余抗沖擊性能。代祥俊等[5]研究了蜂窩夾芯板多次低速沖擊性能及剩余強度。胡卸文等[6]開展了鋼筋混凝土板落石沖擊試驗,揭示了RC板在不同沖擊工況下的損傷累積與動態(tài)破壞模式。萬志敏等[7]研究了復合材料層板在多次沖擊下的剩余剛度。Hajiloo等[8]研究了多沖擊載荷下銹蝕鋼筋混凝土板加固后的抗沖擊性能。Mouwainea等[9]研究了高質(zhì)量低速重復沖擊載荷下鋼筋混凝土板的抗沖擊性能。Batarlar等[10]研究了重復沖擊載荷下碳紡織品增強鋼筋混凝土板的抗沖擊性能。

綜上,現(xiàn)有的混凝土板沖擊方法以單次垂直沖擊、多次恒重沖擊為主,具有以下不足:難以模擬真實的板件沖擊工況;多次恒重沖擊試驗的沖擊體質(zhì)量、沖擊高度等缺乏實際意義;多次恒重沖擊后期混凝土板的動力響應規(guī)律性較差、耗時較長;破壞模式多變,給試驗的實施和后期分析帶來困難。而增幅沖擊具有可操作性強、可充分發(fā)掘混凝土板抗沖擊性能、試驗步驟簡易等諸多優(yōu)勢,適合用于混凝土板抗沖擊性能的試驗研究。

本文對鋼筋混凝土板在增幅沖擊下的抗沖擊性能進行研究,開展了4組不同沖擊角度的鋼筋混凝土板落錘沖擊試驗,并對不同沖擊角度和沖擊能量的沖擊力作用下的板進行了變形、沖擊力時程和吸能分析,通過計算板的吸能系數(shù)、標準化強度、沖擊力能比系數(shù)等關鍵指標,研究帶損傷鋼筋混凝土板的殘余抗沖擊性能,為評估受沖擊后板件的安全性提供了參考。

1 試 驗

1.1 試驗試件

RC板架在鋼梁上,以螺栓錨固的方式裝配在組合框架上。每塊板由鋼梁劃分為3塊區(qū)域,以螺栓為界,如圖1所示。螺栓為8.8級M20高強螺栓,其最小抗拉力為188.41 kN,可避免多次沖擊造成的板件移動。板件澆筑前,在模具的端部用PVC管預留螺栓孔,每排8個螺栓孔,共6排。板件在澆筑并養(yǎng)護28 d后,由吊機吊裝至框架結構的相應位置進行裝配。

圖1 RC板尺寸和布筋Fig.1 Details of the slab

1.2 試驗裝置

如圖2所示,沖擊系統(tǒng)分為落錘沖擊和擺錘沖擊試驗系統(tǒng),由地面剛性基座、鋼架和錘頭組成。鋼架高7 m,錘頭質(zhì)量為122.6 kg。沖擊試驗中,通過龍門吊將錘頭提升至預定沖擊高度后釋放。落錘沖擊試驗中,鋼架兩側(cè)的導軌可以限制重錘兩側(cè)滑輪的運動軌跡,經(jīng)預實驗確定每次沖擊時錘頭撞擊點不變;垂直沖擊和斜向沖擊試驗均在板件表面的跨中位置安裝固定承臺,分別如圖2(c)、(d)所示,以確保擺施加給板件的沖擊力作用點不受沖擊裝置運行和板件局部破損的影響。根據(jù)預先數(shù)值模擬的結果,邊長10 cm的承臺接受沖擊時,混凝土板的應力分布和損傷分布不受邊界條件影響,因此,設置圖2(c)、(d)的承臺邊長均為10 cm。錘頭材質(zhì)為高強鋼,錘頭端部安裝輪輻式力傳感器,用來記錄沖擊力數(shù)據(jù)。本試驗在板件側(cè)面布置高速攝像機,以觀察板-錘相對運動。

圖2 沖擊系統(tǒng)Fig.2 Impact test setup

1.3 傳感器設置與試驗方案

由于低速沖擊下的RC板將同時發(fā)生局部變形和整體變形,本試驗在RC板的表面設置了兩部分應變片,即沖擊點周圍和RC板的邊緣,每一個測點均有兩個正交布置的應變片。沿板件對稱線布置了多個位移計,用于監(jiān)測板件底部位移,如圖3所示。

圖3 應變片與位移計布置Fig.3 Layout of strain gauge and LVDT

相同沖擊總能量下,不同沖擊方案造成的RC板累積損傷不同[5]。試驗安排如表1所示,其中,1#板先進行垂直沖擊,后進行斜向沖擊。豎向沖擊和斜向沖擊試驗采用相同的加載制度,如表2所示。為規(guī)范試驗流程,且考慮多次沖擊位于同一點時為最危險狀況,試驗設置的沖擊點固定為板件中心。恒重沖擊下混凝土的累積損傷隨著沖擊次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定[11],且沖擊能主要由混凝土的損傷開裂而吸收[4]。為了使每次沖擊后混凝土的累計損傷加深,實現(xiàn)對不同初始損傷的RC板殘余抗沖擊能力的研究,采用沖擊能量逐次遞增的方案進行加載。其中,1st～5th為預沖擊階段,可將混凝土內(nèi)部微裂紋或孔隙壓實[11],避免RC板制作工藝對試驗的影響。每次沖擊后,均等待板件完全靜止后才進行下一級加載,試驗實況如圖4所示。圖4(b)中板表面與錘體的夾角為所述的沖擊角度。沖擊直到RC板破壞為止,即RC板沖擊區(qū)下表面出現(xiàn)大塊混凝土脫落且裸露鋼筋。

表1 試驗安排Tab.1 Layout of the test

圖4 試驗實況Fig.4 Test in progress

2 試驗結果與討論

RC板件連續(xù)沖擊試驗結果如表2所示。第1列的序號表示該試件所承受的是第幾次沖擊。其中,錘頭接觸RC板表面的沖擊速度v由高速相機測定,沖擊能量Ei由動能定理求出。wg為試件的跨中位移,即試件下表面的變形,在各次沖擊后測量。

2)垂直沖擊的錘頭速度v=(2gh)0.5,由于斜向沖擊存在兩個方向的速度分量,相同沖擊高度下其速度的矢量大于垂直沖擊。將相同沖擊高度下不同沖擊角度的混凝土板動力響應進行對比分析。

2.1 變形與破壞

在多次的沖擊下,RC板件發(fā)生了嚴重的整體彎曲變形和凹陷變形。相比之下,受到垂直沖擊的RC板件整體彎曲變形和凹陷變形都明顯大于受斜向沖擊的板件,而受斜向沖擊板件的損傷區(qū)域明顯更大,裂縫穿過螺栓并傳遞至未直接受沖擊的板件。不同沖擊角度的沖擊力造成的板件凹陷變形均集中發(fā)生在被沖擊位置。隨著沖擊次數(shù)的增加,RC板的整體彎曲變形和凹陷變形也在增大,沖擊次數(shù)的增加加劇了RC板件的裂紋發(fā)展,如圖5。圖中圓圈為受沖擊部位。粗線是斜向沖擊造成的裂縫,細線是垂直沖擊造成的裂縫。

圖5 RC板的損傷分布(1#板)Fig.5 Damage distribution of RC slabs

RC板形成從加載點至邊緣的徑向裂紋,證明豎向沖擊和斜向沖擊均引起RC板的彎曲響應,符合屈服線理論的主要特征。隨后,裂紋集中出現(xiàn)在試件的孔洞等薄弱區(qū),破壞程度隨沖擊次數(shù)的增加而加劇,裂縫逐漸從邊緣向中部擴展,最后導致試件貫通開裂[12]。在斜向沖擊的作用下,沖擊速度的提高將導致板抗沖擊荷載變高,但RC板的破壞模式也發(fā)生了變化,更傾向于發(fā)生整體破壞,文獻[13]的試驗也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象。在18th沖擊時,斜向沖擊的板件均觀察到小塊混凝土脫落,且框架有嚴重的橫向擺動,因此停止試驗。

RC板件在豎向沖擊和斜向沖擊荷載作用下的變形機制如圖6所示。當沖擊能量相等時,斜向沖擊的部分能量沿橫向傳遞,導致受斜向沖擊的板件發(fā)生較小的局部變形。然而,斜向沖擊導致應力波傳遞至板件右部的混凝土,并在中跨板件上產(chǎn)生垂直于能量傳遞方向的橫向裂縫,進而證明了斜向沖擊的破壞范圍更大,難以通過減小跨度和增加螺栓的方法來預防。

圖6 不同角度沖擊力作用下RC板的變形特征Fig.6 Deformation of the RC slab under impact force from different angles

受豎向沖擊的板件呈現(xiàn)典型的環(huán)型沖擊區(qū)屈服線裂縫,并最終發(fā)生沖切破壞;而受斜向沖擊的板件呈現(xiàn)徑向交叉裂縫和沖擊力傳遞路徑上的橫向裂縫,并最終因混凝土碎裂和較大橫向位移而退出工作狀態(tài)。

如圖7所示,沖擊角度越小的RC板跨中位移越小,跨中位移越大RC板的損傷越大?？缰形灰铺刂笡_擊點位置的板底豎向位移。沖擊角度越小,越多的沖擊能量傳遞至RC板平面方向。由于本試驗是多跨連續(xù)板,橫向約束較強,橫向沖擊分力造成的RC板損傷沒有體現(xiàn)在豎向位移的變化上。

圖7 不同角度沖擊力作用下RC板的跨中位移Fig.7 The displacement on the middle of the RC slab under impact force from different angles

2.2 沖擊力時程曲線

根據(jù)現(xiàn)有研究可知,沖擊力時程曲線不受配筋率影響[9],其特征具有普遍性?；炷涟迨艿退儇Q向沖擊的沖擊力時程曲線一般可分為兩個階段,即板-錘的向下運動階段和板-錘的向上運動階段,如圖8(a)所示。其中,板與錘接觸后在短時間沖擊力達到峰值,板件加速向下變形,直至板-錘速度相等,板-錘接觸力為0,這一過程反映板件傳遞沖擊能量的效率,一般而言,脆性越高的板件該過程越短(本文為4 ms,與文獻[14]一致;文獻[2,15]為10 ms,文獻[4]為20 ms)。隨后,P-t曲線展示了第2個波段,板-錘的速度減小,當板-錘的速度為0且達到向下最大位移時,沖擊力達到第2個峰值,板與錘隨即反彈直至分離,這一過程反映RC板吸收沖擊能量的能力。一般而言,板件吸收沖擊能量的效率隨著吸收能量的累計而逐漸降低。RC板的能量吸收過程越長,錘頭與板件間轉(zhuǎn)移能量就越多,能量耗散率越低的RC板的能量吸收過程也越長。

圖8 垂直沖擊力特征分析Fig.8 Analysis of vertical impact force

古松等定義P-t曲線(其原文的F-T曲線)的首個波段時長為碰撞持時,并認為素混凝土板受沖擊能量越大該時長越長,板件的損傷更嚴重。結合圖8(b)～(e)發(fā)現(xiàn)本試驗RC板件的碰撞持時恒為4 ms。由此可知,RC板的內(nèi)置鋼筋起到了良好的傳遞沖擊能量的能力,但第2個波段的時長從5 ms增加至15 ms,可知RC板的初始損傷影響板件的吸能能力。根據(jù)圖8(f)中沖擊力峰值隨沖擊次數(shù)的增加而降低,結合文獻[9,14]的類似結論,認為沖擊力峰值和速度呈非線性關系,沖擊次數(shù)越多,RC板的損傷越大,沖擊力越低,吸能的能力越差。

當?shù)?個波段的下降段不明顯或與第2個波段難以區(qū)分時,也可以通過Pmax發(fā)生的時間來判斷混凝土板傳遞沖擊能量的能力[15],與古松的方法類似,且結論一致。由于本試驗采用平面錘頭(垂直沖擊)和固定臺座(斜向沖擊),板-錘接觸面混凝土碎裂較少,沖擊力時程曲線初始階段沒有出現(xiàn)常見的波動段[14,16],利于確定沖擊力峰值。15th～18th,由于RC板沖擊面的破壞,力-時程曲線出現(xiàn)了較小的波動,文獻[5]也報道了相似的情況。

上述垂直沖擊的試驗分析證明了本文試驗設計的合理性。接下來通過與垂直沖擊的對比來分析斜向沖擊的板-錘相對運動。

如圖9(a)所示,斜向沖擊的板-錘運動特征與豎向沖擊類似,波動更大,這是因為斜向沖擊下板-錘存在兩個方向的運動。由圖9(b)～(e)的P-t曲線可知,擺錘作用于板的時長比落錘作用于板的時長多10倍。板-錘接觸時間越長,RC板的吸能效率越低,這是因為沖擊能量沿平面?zhèn)鬟f需要更長時間。而斜向沖擊與豎向沖擊中,板與錘的相對運動特征大體相近。這也說明了,相對于圖8(a),圖9(a)中板錘剛接觸時曲線就發(fā)生的“振蕩”與板橫向變形有關,可能是板件在橫向發(fā)生拉伸與壓縮的證明。

圖9 斜向沖擊力特征分析Fig.9 Analysis of oblique impact force

由圖9(f)～(h)可知,在試件的破壞階段(13th～18th),斜向沖擊的峰值荷載大于豎向沖擊,這是因為斜向沖擊的錘頭和鋼制承臺撞擊,避免了沖擊區(qū)混凝土碎裂對沖擊力測量的影響。進一步證明了約12th沖擊時,沖擊區(qū)的混凝土發(fā)生碎裂,混凝土不再抵抗沖擊力。不同角度的斜向沖擊對板件造成沖擊力一致。由此可知,斜向沖擊對RC板的沖擊影響更復雜。

2.3 吸能分析

根據(jù)文獻[8]提及的沖擊延性指數(shù)μ可知,4項沖擊試驗中RC板的μ均為3,證明本文所有RC板的初始吸能能力相近。沖擊能量主要以鋼筋的屈服和混凝土的開裂等形式被吸收、耗散[17],而高強螺栓的吸能及落錘反彈損失極少(不足5%)[4]。在落錘沖擊混凝土板的過程中,RC板有明顯的彎曲變形特征,整體響應明顯。多次沖擊后,局部變形占主導,能量主要由局部變形來吸收。王宇等[14]提出了吸能系數(shù)(EAC)的概念,定義為

(1)

式中Ea為結構吸收的沖擊能量,此處不能認為沖擊能量全部被板件吸收,部分沖擊能量被板件的運動釋放。假設落錘先向板件傳遞沖擊能量,進而位移達到最大值,這一階段由慣性作用造成[17],沖擊能量儲存為彈性能[18];然后,RC板吸收能量并產(chǎn)生裂縫和殘余位移。本文認為沖擊過程中位移最大值與沖擊總能量相關,殘余位移wt與吸收總能量相關,因此,板件沖擊能量的吸收率R和wt/wmax相關。

圖10展示了各RC板的wt/wmax趨勢,其中除30°沖擊外,各板均在6th沖擊時開始發(fā)生更大比例的殘余位移,這與上文所述6th沖擊后混凝土產(chǎn)生損傷的結論一致。由圖10可知,RC板的吸能率在45°和60°時達到最大,由此認為板件彎曲吸能和板平面方向吸能均為主要的吸能途徑。

圖10 不同角度沖擊力作用下RC板的wt/wmaxFig.10 Ratio of wt/wmax of the RC slab under impact force from different angles

進一步認為可以用wt/wmax和沖擊能量Ei來計算Ea,有

(2)

進而有

(3)

式中板的總質(zhì)量G為3 061 kg,但式(3)選用的G必須按受沖擊響應區(qū)的RC板質(zhì)量計算。按產(chǎn)生裂紋最遠的位置為界來計算板質(zhì)量,其中,90°沖擊由于裂縫僅存在于1榀內(nèi),應計算1/3板的質(zhì)量;45°和60°時裂縫均擴展至2榀,應取2/3板的質(zhì)量,30°時裂縫擴展至3榀,應取整板質(zhì)量計算。計算結果如圖11所示,其中,90°與60°沖擊的吸能能力差距不大,但45°和30°沖擊的板件吸能系數(shù)更高,改進后的吸能系數(shù)能夠合理地體現(xiàn)增幅多次沖擊作用下RC板的吸能能力。

圖11 不同角度沖擊力作用下RC板的EACFig.11 EAC of the RC slab under impact force from different angles

3 RC板殘余抗沖擊性能評估

隨著沖擊次數(shù)的增加,RC板的損傷不斷累積,主要表現(xiàn)為峰值沖擊力明顯降低,撓度和應變不斷增加[19]。前5次沖擊中,RC板表現(xiàn)出明顯的強化效應,這是因為RC板在低速反復沖擊的作用下被壓實,該階段板件不產(chǎn)生損傷;6th～12th沖擊造成了RC板的損傷,并在12th沖擊時達到混凝土吸能的最大值,混凝土損傷程度接近極限;13th～18th沖擊是鋼筋的屈服階段,隨著沖擊次數(shù)的增加,受沖擊部位鋼筋的塑性變形變大,受沖擊區(qū)混凝土損傷嚴重且與板件分離,無法提供抗沖擊承載力,最后混凝土與鋼筋完全剝離并發(fā)生沖切破壞,具有明顯的軟化效應[20]。文獻[17]也報道了鋼-混組合板在受沖擊后,板內(nèi)的鋼組件通過塑性變形來耗能的事實。

根據(jù)上述分析得出結論:應評估混凝土完全喪失抗沖擊承載力前的混凝土損傷(6th～12th);而RC板進入鋼筋屈服階段(指完全由鋼筋來抵抗沖擊力的階段)后,混凝土已經(jīng)失去了抗沖擊能力,此時的RC板已經(jīng)被破壞。

3.1 殘余強度分析

影響殘余強度的因素有結構損傷、板厚和沖擊能量。每次沖擊損傷的計算在前一次沖擊后的有效承載能力上進行[16]。每次沖擊時,可將板件視為帶損傷的新板件,并在沖擊后計算其抗沖擊能力,即為當前帶損傷板件的殘余強度。參考賴建中等[21]提出的“標準化強度”概念,有

(4)

(5)

式中:De和Pe分別為最后一次沖擊的峰值沖擊力和中部位移,Da和Pa分別為第a次沖擊的峰值沖擊力和中部位移。本節(jié)對3塊RC板的標準化強度退化進行分析,如圖12所示?？梢钥闯?隨著沖擊次數(shù)的增加,RC板的強度快速退化,基于沖擊力的RC板標準化強度λF更能反映板件強度快速下降的特征。

圖12 多次沖擊作用下RC板的殘余強度Fig.12 Residual strength of the RC slab under multi-angle impacts

3.2 殘余吸能能力分析

沖擊力能比系數(shù)λ是用于評估板件單次沖擊下吸能能力的無量綱系數(shù)[1,22],表示為

(6)

式中:Pmax為落錘的最大沖擊力,kN;d為混凝土板厚,m;E為落錘下落的沖擊能量,kJ。6th～18th的沖擊力能比系數(shù)如圖13所示,所有板件均展示了相同的結論,即隨著沖擊次數(shù)的增加,板件吸能能力大幅下降,增加沖擊能量不能改變板的殘余吸能能力,混凝土退出工作后,板件靠鋼筋的塑性變形吸能的能力非常有限。

圖13 不同角度沖擊力作用下RC板的λFig.13 λ of the RC slab under multi-angle impact

3.3 帶損傷的RC板抗沖擊性能分析

RC板的殘余抗沖擊強度是衡量多次沖擊下板件殘余性能的重要指標。多次沖擊后導致RC板件破壞的沖擊荷載不能作為正常板件的單次最大沖擊荷載。根據(jù)現(xiàn)有板件抗沖切破壞承載力計算理論,對初始RC板的最大抗沖切承載力進行計算,結果如表3所示,其中,關鍵計算參數(shù)為:RC板彎矩mfu=12 kN·mm;RC板有效抗沖切厚度h1=68.19 mm;柱擴展截面周長b0=690.8 mm;受拉區(qū)最小寬度bw=2 000 mm;承載力折減系數(shù)kc=0.57;彎矩折減系數(shù)kf=0.525。

表3 初始RC板最大抗沖切承載力計算結果Tab.3 Maximum punching shear capacity of the initial RC slab without being impacted

由此可見,除個別失真結果外,理論計算的RC板最大抗沖切承載力為90～100 kN,可取其平均值96.8 kN為板件最大抗沖切承載力理論值。

然而,每一次沖擊下RC板的損傷都會對其抗沖切承載力造成影響。本文認為,對于同一種RC板,無論沖擊次數(shù)為多少,低速沖擊下RC板破壞時吸收的總能量是相近的,該假設有助于估算殘余抗沖擊強度。根據(jù)式(2)計算4個沖擊試驗板總共吸收的沖擊能量,結果如表4所示?？梢钥闯?RC板的總吸收能量在45°和60°沖擊時達到最大,與2.3節(jié)分析結果一致。每次沖擊后,RC板吸收的沖擊能量約為總沖擊能量的10%,其余主要被RC板的彈性變形釋放。

表4 RC板總吸收能量Tab.4 Sum of energy absorbed by RC slab

上述證明了RC板的吸收能和損傷之間的相關性,又因為2.3節(jié)中論述的吸收能和殘余位移間的相關性,擬將多次沖擊下RC板的殘余抗沖擊力問題轉(zhuǎn)換為帶損傷的RC板抗沖擊力問題。沖擊次數(shù)的增加會導致RC板的損傷加深[32],可采用每次沖擊后的殘余位移wg與最后一次殘余位移wgmax的比值來衡量RC板的受破壞程度,如圖14所示。

圖14 不同角度沖擊力作用下RC板的破壞率Fig.14 Damage rate of the RC slab under multi-angle impact

需要注意的是,該比值有別于混凝土損傷率,是衡量RC板被破壞的無量綱,可稱為破壞率。提出該概念的理由是:由于鋼筋作用、構件類型、約束條件等諸多因素的影響,混凝土材料的損傷程度指標過于單一,用于衡量鋼筋混凝土板的性能退化略顯片面。然而,從性能退化的角度建立鋼筋混凝土板在沖擊荷載作用下的破壞率是切實可行的,可以繞開紛雜的影響因素及其間的耦合效應。

可見RC板破壞率與沖擊次數(shù)和沖擊能量成正比,沖擊角度越小破壞率變化越穩(wěn)定,進而嘗試討論破壞率與沖擊力的關系。如圖15(a)所示,隨沖擊力的上升,RC板的破壞率呈指數(shù)上升,增長趨勢穩(wěn)定;如圖15(b)所示,文獻[9]采用等重量的重復沖擊,雖然數(shù)據(jù)整體呈現(xiàn)為破壞率隨沖擊力的降低而降低的趨勢,但數(shù)據(jù)離散性極大。

圖15 沖擊力與RC板破壞率的關系Fig.15 Relation of impact force and damage rate of the RC slab

以上分析可以看出,隨著沖擊次數(shù)增大,每次對應的沖擊速度也在增大,沖擊力必然增大;由于累積的損傷越來越多,破壞也越來越嚴重。由于沖擊力增加跟速度提高有關,目前的研究表明沖擊力跟沖擊次數(shù)的關聯(lián)不大,而沖擊次數(shù)的增多會使得損傷增加。因此,專家認為輸入的能量越大,破壞越嚴重,但若要得出“沖擊力越大,破壞越嚴重”這樣的結論,還需要進行更深入的研究。

上述充分說明,在破壞程度較大的RC板上進行較小能量的沖擊,板件的變形過于依賴現(xiàn)有損傷分布,其結果規(guī)律性較差。綜上,采用能量遞增的多次沖擊方法,更有利于板件沖擊性能的研究。

在研究沖擊承載力計算方法時,存在兩個難點:所建立的理論必須考慮到板件不一定發(fā)生沖切破壞,尤其是斜向沖擊,其沖切破壞的特征并不明顯;必須考慮破壞率對板件沖擊承載力的影響,且破壞率的廣泛適用性有待進一步驗證。

4 RC板多次沖擊研究方法初步討論

4.1 沖擊制度討論

目前,關于RC板多次沖擊的加載制度還沒形成統(tǒng)一標準?，F(xiàn)有恒重恒高沖擊更像是疲勞試驗,研究混凝土板長期處于短周期外荷載作用下的動力響應和性能演化。本文提出的增幅沖擊更接近于混凝土結構試驗中的分級加載制度,可以有效獲取混凝土板的最終性能。因此,參考GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》提出增幅沖擊試驗方法。

首先,應明確混凝土板沖擊試驗多為探索性試驗,宜分級進行沖擊。其次,增幅沖擊試驗開始前應進行預沖擊,以確認支座是否平穩(wěn),儀表及加載設備是否正常,預加載應控制試件在彈性范圍內(nèi)受力,不應產(chǎn)生裂縫。分級制度可參考GB/T 50152—2012,接近開裂荷載前,每級沖擊值不宜大于0.05倍的極限沖擊值,開裂后可取0.1倍的極限沖擊值。最后,當沖擊點發(fā)生沖切破壞,并形成鑿離體后,結束加載。此外,對于以整體破壞為主的鋼筋混凝土板,當力傳感器測得沖擊力無法隨沖擊高度增大而增大時,認為板件發(fā)生破壞。

該沖擊方法最重要的是明確沖擊值的概念。建議先確認落錘質(zhì)量和接觸面面積,然后將落錘高度定為沖擊值。極限沖擊高度可以通過首個試驗進行確定,也可以通過理論計算與數(shù)值模擬的方式進行確定。本文采用前者,通過前期試驗發(fā)現(xiàn)122.6 kg的鐵錘在10 cm×10 cm的面積上極限沖擊高度約為100 cm,因此,制定了后續(xù)試驗的沖擊制度。

值得一提的是,部分學者擬采用恒等重量多次沖擊的方式解決上述問題,而黃振宇等[4]認為不同質(zhì)量比(構件/落錘)下構件吸收的總能量不一致。因此,當采用恒等重量多次沖擊的方案時,沖擊質(zhì)量的選擇對沖擊結果影響較大。尤其是在板件臨近破壞的階段,沖擊區(qū)混凝土將持續(xù)散落,RC板變形過于依賴其當前的損傷分布,影響試驗效果,不利于判斷RC板件的臨界抗沖擊性能。若沖擊能量過小,則難以對RC板產(chǎn)生實質(zhì)的損傷。進一步的,俎政等[5]發(fā)現(xiàn)單次沖擊造成的板件位移差約為多次沖擊的2倍,王世鳴[33]建議將“臨界破壞狀態(tài)”對應入射能的50%～75%作為多次沖擊的依據(jù)。

本文建議的加載制度仍存在一些不足:沒有提出基于理論計算的極限沖擊值計算方法,仍需要采取前期試驗的方法確認分級沖擊制度;沒有進一步提出除了沖擊高度之外的沖擊值以供選擇。本文認為,沖擊能量和最大接觸力有作為沖擊制度標準的可能性,但仍需深入研究。

4.2 吸能指標討論

本文在2.3節(jié)中采用吸能系數(shù)作為吸能能力指標,在3.2節(jié)中采用沖擊力能比系數(shù)。選取合適的吸能指標的標準為:計算參數(shù)均容易得到且真實有效;參數(shù)種類對于研究混凝土板吸能問題較為全面。

吸能系數(shù)EAC適用于研究混凝土板多次沖擊下性能的演化,EAC計算中考慮了每次沖擊后混凝土板的殘余位移,其規(guī)律與殘余位移的變化規(guī)律相似。因此,當板件在多次沖擊作用下整體塑性變形明顯且沖切破壞較晚出現(xiàn)時,使用EAC進行混凝土板吸能性能的評估較好。

沖擊力能比系數(shù)與接觸力相關,混凝土板宏觀變形不明顯或規(guī)律不強時,可以用于評估混凝土板的吸能能力。但當沖擊區(qū)混凝土剛度退化或混凝土破碎后,接觸力規(guī)律性變差,板厚的等效值也發(fā)生變化,此時沖擊力能比系數(shù)不再適用。

5 結 論

1)增幅沖擊作用下,隨著沖擊能量的增大,RC板更容易發(fā)生局部凹陷變形,進而發(fā)生沖切破壞。相對于豎向沖擊,斜向沖擊造成的RC板局部變形較小,但損害面積更大,沖擊響應更加復雜,RC板受沖擊的破壞模式更難以預測。

2)改進的吸能系數(shù)(EAC)能夠量化評價RC板在增幅沖擊作用下的吸能能力。標準化強度(λF)和沖擊力能比系數(shù)(λ)可以用于量化評價RC板在增幅沖擊作用下的殘余抗沖擊強度。隨著沖擊能量的增加,RC板吸收能量增加,但吸能能力下降。RC板吸收能量約為總沖擊能量的10%。沖擊角度越大,RC板吸收的沖擊能量越多,但不影響板件的吸能能力。

3)低速沖擊作用下,相同RC板的總吸收能量相近。RC板吸收能、破壞程度和殘余位移間具有較強相關性,RC板的破壞率與沖擊能量成正比。增幅沖擊試驗方法相較恒重重復沖擊試驗方法,具有更高的可靠性。

4)課題組后期將開展有限元模擬,通過對比試驗的應變和位移數(shù)據(jù),進一步研究落錘重量、板尺寸、配筋、混凝土強度等變量對本文結論的影響。工作包括利用本文試驗結果和后期模擬結果,建立RC板在多次沖擊下的殘余強度模型,并對RC板進行壽命預測,研究增強RC板抵抗斜向連續(xù)沖擊性能的方法。