冲击荷载作用下钢筋混凝土板的动力性能研究

葛 照 才

(沈阳军区司令部工程科研设计所，辽宁 沈阳 110162)

冲击荷载作用下钢筋混凝土板的动力性能研究

葛 照 才

(沈阳军区司令部工程科研设计所，辽宁 沈阳 110162)

以固支的圆板为例，建立了三角形冲击荷载作用下钢筋混凝土的有限元模型，分析了荷载大小和作用时间对板动力响应的影响，结果表明，板的动力响应主要受荷载强度的影响，荷载作用时间影响不大，结构变形以弯曲模态为主。

钢筋混凝土板，冲击，动力响应，荷载

0 引言

随着恐怖事件的增加和生产、生活中各种事故的发生，建筑结构可能承受爆炸等冲击荷载作用。建筑房屋一般由梁、板、柱等构件组成，研究钢筋混凝土板的冲击力学性能对建筑安全和人民生产生活安全具有重要意义。

针对钢筋混凝土板的动力性能，国内外学者开展了大量的研究工作[1-3]，既有理论分析，也有现场原型实验。数值计算方法由于其独特的优点得到了广泛应用。如在大幅降低实验费用的同时可以得到实验很难量测到的动力变形响应过程，可以满足研究者对结构响应过程的细致分析，是结构动力分析的有效手段。

本文以钢筋混凝土圆板为例，以动力有限元程序为主要分析手段，建立了固支钢筋混凝土圆板的有限元模型，针对不同加载工况，分析了板底位移、板底加速度和钢筋应变等量，对钢筋混凝土结构设计具有一定参考价值。

1 计算模型

1.1 物理模型

本文计算的物理模型如图1所示，钢筋混凝土板直径为1.5 m，厚度为30 cm，板内布置2层钢筋网，钢筋网眼长度为15 cm，钢筋采用HRB335钢，直径20 mm。2层钢筋网间布置竖向箍筋，间隔15 cm。采用C30级混凝土，轴心抗压强度23 MPa。混凝土保护层厚度为3 cm。板与支座固支，为防止支座拉坏，支座内配置6层环向钢筋，每层两根，直径为20 mm。

1.2 材料模型

混凝土采用C&K模型[4]，该模型包含了大变形、高应变率和高静水压等因素的影响，是专门用于混凝土在爆炸冲击等强动载作用下的计算模型，混凝土参数利用该模型强度相关的自动生成模式生成。钢筋采用弹塑性随动硬化模型。

1.3 有限元模型

为提高计算效率，利用结构的对称性，取1/4建模，并在对称面上施加对称边界条件。在结构底部建立刚性墙以模拟支座对结构的支撑作用。钢筋和混凝土分别独立建模，混凝土采用六面体单元，钢筋采用梁单元，通过速度和位移耦合的方式实现钢筋与混凝土间的粘结关系。建立好的有限元模型如图2所示。加载方式为在板顶施加直角三角形荷载。

2 计算结果分析

2.1 荷载强度的影响

首先进行了等冲量不同荷载大小时结构的响应分析。荷载峰值分别为0.6 MPa,0.3 MPa，对应的卸载时间分别为50 ms,100 ms，计算得到的板底相对于支座的位移关系如图3所示。图中H50，H100分别为卸载时间为50 ms,100 ms工况下对应的位移。5955,6027,6005分别为板底面圆心和边缘的三个节点。结果表明，等冲量作用下结构响应受荷载强度的影响很大，且响应量值和荷载大小并不成线性关系。

2.2 荷载作用时间的影响

对动荷载，加载时间也会对结构动力响应产生影响。荷载峰值取为0.6 MPa，卸载时间分别取为25 ms,100 ms，图4为两种荷载作用下板底三个节点竖向相对支座位移的时程曲线。图4表明虽然荷载作用时间延长了4倍，但板底最大位移值变化不大。与图3的对比表明，荷载峰值仍是影响结构动力响应的主要因素。

2.3 结构动力响应的详细分析

以加载峰值0.6 MPa，卸载时间100 ms为例，对结构的动力响应过程进行了详细分析。计算的钢筋应变、板底加速度如图5，图6所示。

图5表明板底圆心处钢筋受拉，而靠近支座处受压，表明结构处于弯曲模态。从图4来看，跨中与边缘处位移相差很大，也表明结构以弯曲模态为主。从曲线波动情况可以判断，结构自振周期在3 ms左右。板的损伤主要发生在板底跨中处的钢筋混凝土保护层中，是被反射波拉坏的，其余部分基本完好。

3 结语

1)等冲量作用下荷载峰值对结构动力响应影响很大；等荷载峰值时卸荷时间对结构动力响应影响不大。表明对本文模型，荷载峰值是控制结构响应的主要因素。

2)荷载作用时长远大于结构自振周期，对本文模型，结构动力变形主要呈现弯曲模态。

3)从钢筋应变、板底位移图可见，在本文的加载条件下结构没有发生破坏，以弹性变形为主。

[1] 张想柏,杨秀敏,陈肇元,等.接触爆炸钢筋混凝土板的震塌效应[J].清华大学学报(自然科学版),2006,46(6):765-768.

[2] 陈肇元.钢筋混凝土结构构件在冲击荷载下的性能[M].北京:清华大学出版社,1986.

[3] Krauthammer T,Shahriar S,Shanaa H M.Response of reinforced concrete elements to severe impulsive loads[J].Journal of Structural Engineering,1990,116(4):1061-1079.

[4] L.Javier Malvar,John E.Crawford,James W.Wesevich,etc.A plasticity concrete material model for DYNA3D[J].International Journal of Impact Engineering,1997,19(9):847- 873.

The dynamic properties of RC slabs under impact loading

Ge Zhaocai

(EngineeringResearchandDesigningInstituteofShenyangMilitaryAreaCommand,Shenyang110162,China)

The finite element model of a circular RC slab under triangular impact loading was established in the article. The effects of loading magnitude and duration time on the dynamic response of the slab were analysed. The result showed that the slab’s respons was mainly influenced by loading magnitude in comparison with duration time. Bending was the main transformative mode.

RC slab, impact, dynamic response, loading

1009-6825(2015)07- 0035- 02

2014-12-17

葛照才(1973- )，男，助理工程师

O383.2

A