冲击作用下再生混凝土梁的动力响应研究

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再生混凝土技术已被广泛研究并逐步应用于实际结构工程中,而混凝土结构在服役期间,除受到自重、活载等准静态荷载外,还会不可避免地受到各种形式的意外冲击作用,例如车辆撞击、安全事故以及恐怖袭击。准静态荷载是缓慢地施加到构件上,而冲击作用则在短时间内传递大量的能量,构件在快速加载下表现出与准静态荷载不一样的动力响应。因此,开展再生混凝土梁在冲击作用下的动力响应研究和设计方法探讨,具有重要的理论意义和实用价值。混凝土材料是一种应变率相关材料,即高应变率下材料强度相对静力强度有所提高。为了研究应变率效应对再生混凝土材料抗压强度的提高,本文对取代率分别为0、30%、70%、100%的四种再生混凝土试块进行静力受压试验及SHPB试验,得到与取代率相关的再生混凝土动态强度表达公式。依据所得到的再生混凝土材料动态强度对混凝土连续盖帽本构(CSCM)模型进行修正,并利用有限元程序LS-DYNA验证修正后CSCM模型的合理性。以框架结构受直升机非正常着陆冲击现象为研究背景,设计四种取代率(0、30%、70%、100%)的再生混凝土梁落锤试验,并基于考虑了取代率修正的CSCM本构模型,采用程序LS-DYNA建立有限元模型,对所设计的再生混凝土梁落锤试验进行模拟,预测梁试件在冲击作用下的动力响应、能量转化以及破坏模态。预测结果进而用于指导试验中的支座设计、采集传感器的选用以及试验制度的确定。制作四种取代率的再生混凝土梁,为进行对比,每种取代率的再生混凝土梁均制作两根,分别进行跨中静力加载及跨中落锤试验。对比两种加载方式下再生混凝土梁的不同破坏模态,通过跨中静力加载试验得到再生混凝土梁的弯曲抗力-位移曲线,分析取代率对静力抗弯承载力、刚度的影响;通过跨中落锤试验,考察梁试件的冲击力、位移响应、以及应力状况,分析取代率对梁弯曲耗能能力的影响。在再生混凝土梁静态弯曲抗力的基础上考虑材料应变率效应的增强,修正得到动态弯曲抗力,由梁跨中残余位移计算梁的弯曲耗能能力。对冲击作用下梁试件中的惯性效应进行分析,在惯性效应的影响下,试件所受到的冲击力并不完全用于使试件变形,“冲击荷载”的描述不恰当,因此本文提出“冲击作用”的概念。对冲击物质量和冲击速度进行参数分析,并通过对四根四种取代率的再生混凝土梁进行连续落锤冲击试验,对比相同冲击能量下的单次落锤冲击试验下梁的响应,发现冲击能量形式不能合理地代表冲击作用,同样冲量形式也不能合理地代表冲击作用,因此采用冲击物质量和冲击速度组合的形式来对冲击作用进行描述。同时采用变形破坏准则来判定试件抵抗冲击作用的能力。建立了两自由度质量-弹簧简化分析模型,利用再生混凝土梁落锤冲击试验及相关文献中的钢筋混凝土梁冲击试验以验证简化模型的合理性;并利用简化模型分析屈服速度以研究冲击作用下梁的屈服状态。利用该简化模型并基于变形破坏准则,建立基于位移的再生混凝土梁抗冲击设计流程,并通过一个框架梁受直升机非正常着陆冲击设计实例对该流程进行阐述。
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