杨润林， 聂　婷， 白娜妮

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京　100083, 中国； 2.中国建筑科学研究院 建筑设计院，北京　100013)



钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能研究

杨润林1， 聂婷2， 白娜妮1

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京100083, 中国； 2.中国建筑科学研究院 建筑设计院，北京100013)

摘要：传统结构构件设计较少考虑碰撞效应，因此有可能因碰撞荷载而引起严重的冲击破坏。鉴于此，在前期提出的刚柔复合防护结构体系的基础上，针对钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能进行了分析研究。在数值模拟的过程中，分别考虑了无防护、刚性防护、柔性防护和刚柔复合防护四种不同的措施以及两端固支、两端铰支和一端固支一端铰支三种不同的梁端约束形式。通过观测钢筋混凝土梁的应变、位移、加速度和冲击力等参数，可评价相应的抗撞效果。数值结果表明，提议的复合防护体系效果最好，可以有效抑制受撞构件的冲击响应；同时，构件约束形式对抗撞性能的影响也是不容忽视的。

关键词：抗撞；冲击荷载；复合防护；钢筋混凝土梁；数值模拟

在针对工程结构或构件进行荷载组合分析的过程中，过去一般很少考虑爆炸或者碰撞类荷载的作用，这就导致在冲击荷载作用下结构或构件显得非常脆弱，极易受损或者破坏。另一方面，因冲击类荷载导致工程结构或者构件失效的事例在实际工程中并不少见，譬如超高桥梁擦撞面板下部主梁、偏离航道的船舶撞击桥墩、建筑施工过程中高空坠物撞击楼板等。因此，如何使结构构件抵御这类冲击荷载的作用效应，具有重要的研究价值。

抑制结构构件的冲击效应一般可以考虑下面三种途径[1-3]：一是依靠构件自身的变形、开裂或者屈曲来减缓碰撞作用，例如钢结构构件可以利用大变形性能来吸收冲击能量；二是在构件材料组成中添加防护材料来提高构件的抗冲击承载力，例如在混凝土成分中添加钢纤维；三是在构件外部添加防护装置借以耗散冲击能量，通过牺牲防护装置来保全关键承载构件[4-9]。显然，按思路三进行构件设计最为理想，主要表现在对材料性能不做过高要求、小荷载下结构可不受损和防护装置受损相对易于替换修复等。此外，在结构构件中梁是主要承载构件的表现形式之一，包括柱构件在内的杆单元一般都可采用梁单元进行分析。

基于上述考虑，本文拟针对钢筋混凝土梁采用不同的防护措施，通过数值模拟评估分析对应的抗撞性能。同时，验证前期提出的阵列式刚柔复合防护体系的相对优劣性[10]。

1防护装置与计算参数

1.1阵列式复合防护装置工作原理简介

阵列式复合防护装置采用区格式构造，如图1所示。这种刚柔复合防护型装置具有两道防护层，第一道为刚性防护层，第二道为柔性防护层。柔性防护层之后即为待防护构件，二者相互接触。可以发现，实际采用的分块式柔性层与传统整体式做法是不一样的，采取了阵列式分割布置的方式。在刚性层较均匀地把冲击作用传递到各个柔性块之后，分布的柔性块由于侧向约束作用相对较小，比整体式柔性层变形更大，可以吸收耗散更多的外部能量。

图1　复合防护装置示意Fig.1 Sketch of composite laminates

1.2计算模型参数

计算模型中选取待模拟的钢筋混凝土梁长为1 700 mm，宽为95 mm，高为160 mm。在梁的基本尺寸确定之后，刚性层选用钢板模拟，长、宽和厚度分别取200 mm、95 mm 和10 mm的；考虑到落锤和钢筋混凝土梁的形状以及尺寸的局限性，柔性层选取长300 mm、宽95 mm和厚度为10 mm的一橡胶块模拟；落锤采取长方体形式，冲击接触面是边长为220 mm的正方形，高度小于其余两维尺寸，取为175 mm，主要考虑降低落锤重心，其重量为65 kg。碰撞模拟过程采用ANSYS/LS-DYNA进行。

计算中钢板、落锤均为钢制构件，选取各向同性的弹性模型，而受拉/压钢筋和箍筋则采用双线性随动硬化材料模型；未来变形主要集中在橡胶层，采用模拟橡胶的经典Blatz-Ko非线性模型；混凝土采用考虑动态损伤的HJC模型，可反映冲击效应对本构模型的影响。除钢筋需要选用LINK160杆单元模拟以外，前述其余构件均用SOLID164实体单元进行实体划分。钢材密度取为7.85×103kg/m3，弹性模量、屈服强度分别为210 GPa和375 MPa，泊松比取为0.3；混凝土密度为2.4×103kg/m3，剪切模量取为14.5 GPa，泊松比取为0.2; 橡胶密度取为1.15×103kg/m3，剪切模量取为1.04 Pa，泊松比取为0.46。采用ANSYS/LS-DYNA模块进行分析计算,建立的几何模型图2所示。

图2　钢筋混凝土梁分析模型Fig.2 Analytical model of the reinforced concrete beam

2数值结果分析

对于不同约束形式，即使同一种防护措施，待考察的钢筋混凝土梁内力和变形情况以及抗撞效果均可能有所不同。鉴于此，下按两端固支、两端铰支和一端固支一端铰支的先后顺序，进行防护效果的比较分析。

2.1两端固支梁

冲击荷载情况下梁的变形可以通过应变和位移进行考察，梁的纵向应变参见图3。根据碰撞过程中的应变云图，可以发现各种防护措施下最大拉应变和最大压应变保持在同一数量级。裸梁和刚性防护措施下，观测梁的大应变区域主要出现在碰撞位置附近，压应变峰值对应跨中上表面，拉应变峰值出现在跨中下表面。柔性和刚柔复合防护措施下，总体上大应变区域仍出现在跨中附近，但应变峰值位置迁移到近支座位置。

图3　两端固支梁应变分布图Fig.3 Strain contours of reinforced concrete beam fixed at both ends

在应变分析的基础上，针对裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁可分别提取冲击力、位移和加速度时程曲线，如图4～图6所示。整个碰撞过程持续时间极短，约为5 ms左右。冲击力和加速度时程曲线存在数个循环，而位移时程曲线变化趋势则比较简单，先上升后衰减，仅在尾部略有变化。

图4 两端固支梁冲击力时程曲线Fig.4Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends图5 两端固支梁位移时程曲线Fig.5Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends图6 两端固支梁加速度时程曲线Fig.6Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatbothends

关于两端固定约束下钢筋混凝土梁对应不同防护措施的效果进一步统计参见表1。表1中分别给出了对应裸梁、刚性防护、柔性防护和复合防护措施下冲击力、位移和加速度的峰值，括号内的数值为各种防护措施下相对于裸梁的冲击响应减少百分率。按照冲击力指标，三种措施下的防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=6.38∶2.11∶1。观测梁的位移和加速度反应与冲击力是直接关联的，刚性防护、柔性防护和复合防护对梁均有一定的防护效果， 其中复合防护效果最好，柔性防护次之。

表1　两端固支梁冲击相应

2.2两端铰支梁

两端铰支梁的冲击应变参见图7。与两端固支梁类似的是，在碰撞位置附近仍存在大应变集中区域；不同的是，应变突变性不如前者显著。

在应变分析的基础上，针对裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁可分别提取冲击力、位移和加速度时程曲线，如图8～图10所示。

表2中分别给出了对应裸梁、刚性防护、柔性防护和复合防护措施下冲击力、位移和加速度的峰值，括号内的数值为各种防护措施下相对于裸梁的冲击响应减少百分率。按照冲击力指标，三种措施下的防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=4.98∶1.12∶1；按照位移指标，防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=2.44∶1.95∶1；按照加速度指标，防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=1.36∶1.2∶1。

图7　两端铰支梁应变分布图Fig.7 Strain contours of reinforced concrete beam hinged at both ends

图8 两端铰支梁冲击力时程曲线Fig.8Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends图9 两端铰支梁位移时程曲线Fig.9Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends图10 两端铰支梁加速度时程曲线Fig.10Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamhingedatbothends

表2　两端铰支梁冲击响应

2.3一端固支、一端铰支

一端固支、一端铰支梁的碰撞应变参见图11，在碰撞位置附近也存在大应变集中区域。根据约束情况，应变情况应介于前二者之间。

在应变分析的基础上，针对裸梁、刚性防护、柔性防护和复合防护梁可分别提取冲击力、位移和加速度时程曲线，如图12～图14所示。

表3中分别给出了对应裸梁、刚性防护、柔性防护和复合防护措施下冲击力、位移和加速度的峰值，括号内的数值为各种防护措施下相对于裸梁的冲击响应减少百分率。按照冲击力指标，三种措施下的防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=3.89∶1.07∶1；按照位移指标，防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=3.48∶2.25∶1；按照加速度指标，防护效果对比值为复合防护∶柔性防护∶刚性防护=3.81∶2.60∶1。

表3　一端固支一端铰支梁冲击响应

(a) 裸梁(b) 刚性防护梁(c) 柔性防护梁(d) 复合防护梁图11 一端固支一端铰支钢筋混凝土梁应变图Fig.11Straincontoursofreinforcedconcretebeamsfixedatoneendandhingedattheotherend

图12 一端固支一端铰支梁冲击力时程曲线Fig.12Impactforcetimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatoneendandhingedattheotherend图13 一端固支一端铰支梁位移时程曲线Fig.13Displacementtimehistoriesofreinforcedconcretebeamsfixedatoneendandhingedattheotherend图14 一端固支一端铰支梁加速度时程曲线Fig.14Accelerationtimehistoriesofreinforcedconcretebeamfixedatoneendandhingedattheotherend

3结论

(1) 钢筋混凝土梁的冲击应变最大值主要出现在受冲击部位和两端约束部位附近。

(2) 梁的约束形式对冲击力峰值影响显著。在相同的防护条件和冲击条件下，两端固支梁的冲击力最大，其次是一固一铰梁，最小的是两端铰支。

(3) 在相同的冲击条件下，根据位移、加速度和冲击力等指标评判，复合防护的效果最优。

参 考 文 献

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Impact-resistant performance of a reinforced concrete beam with composite laminates

YANGRun-lin1,NIETing2,BAINa-ni1

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Architectural Design Institute, China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

Abstract:Traditional design of structural members considers less collision effects, so it may be possible to cause damage due to impact loads. Here, the impact-resistant performance of a steel reinforced concrete beam with rigid-flexible composite protective structure was analyzed based on the earlier study outcomes. In numerical simulation, the observed beams with four different measures including unprotected, rigid protective, flexible protective and the proposed one were considered, respectively. Meanwhile, three considered constraint forms of beam ends included fixed at both ends, hinged at both ends, fixed at one end and hinged at the other one. Protective effects of the different measures were evaluated by observing the strain, displacement, acceleration and impact force of the target beam. Numerical results showed that the proposed composite protective system works best; moreover, the constraint forms of the structural components also have a significant impact on the protective effects.

Key words:impact resistance; impact load; composite laminate; reinforced concrete beam; numerical simulation

中图分类号:TU311.3; O328

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.032

收稿日期：2015-01-10修改稿收到日期：2015-09-23

基金项目：国家自然科学基金(50508003)

第一作者 杨润林 男，博士，副教授，1971年生

E-mail: rlyang@ustb.edu.cn