圆形截面钢筋混凝土悬臂柱抗冲击性能试验研究

吴吉光 肖 岩 Cristoforo Demartino

(1.湖南大学土木工程学院,长沙 410012; 2.南京工业大学土木工程学院,南京 211800)

0 引 言

土木工程结构在其服役年限内可能遭受各种极端荷载作用,如地震、海啸、火灾、撞击、爆炸等。结构在极端荷载作用下可能发生严重的损坏,给生命财产安全带来严重的威胁。近些年来,在这些极端荷载中,冲击荷载得到了越来越多的关注。冲击荷载一方面来自自然界,如泥石流或滚石对道路防护设施的冲击;另一方面也可能由人类自身引起,如车船等交通工具对工程结构的撞击。2009年4月,一辆水泥罐车与京珠高速公路湖南耒宜段一座跨线桥的桥墩相撞,导致桥墩被撞断,造成2人死亡、1人受伤以及三个多月的交通阻塞,桥梁所需的维护费用逾百万元。近些年来,随着交通设施的高速建设和机动车数量的持续增加,工程结构遭受车船等交通工具撞击的威胁性越来越大,对工程结构的抗冲击安全性提出了更高的要求。可见,研究并提高此类结构的抗冲击性能已经迫在眉睫,处理好这类问题对保证生命线工程具有十分重大的理论意义和工程价值。迄今为止,钢筋混凝土结构依然是土木工程领域应用最为广泛的结构形式,因此钢筋混凝土构件的抗冲击研究必然是十分重要的课题。

目前众多学者和工程师对钢筋混凝土构件的抗冲击性能进行了广泛的研究,这些工作包括构件抗冲击设计方法[1-5],冲击作用下构件的响应特点及其影响因素[6-13],构件抗冲击行为的简化模型[8,14-15]和数值模拟[16-23]等。研究表明,由于混凝土和钢筋材料的应变率效应和在冲击作用下的惯性力的影响,混凝土构件在冲击作用下的响应与在静力加载下的响应存在明显差异。但是,已有的钢筋混凝土构件的抗冲击研究对象主要集中在混凝土梁上,关于钢筋混凝土柱(尤其是圆形钢筋混凝土悬臂柱)的试验研究成果尤为欠缺。

研究表明,剪切机制对混凝土梁柱构件的抗冲击行为有重要的影响[9]。在冲击作用下,一些在静态加载条件下弯曲破坏控制的混凝土梁会出现明显的斜裂缝。为了了解混凝土构件在冲击作用下的剪切机制,同时为以后的数值模拟提供丰富的试验数据,本文对两种配箍率的钢筋混凝土柱进行了水平冲击试验,分析了冲击速度和柱配箍率对混凝土柱抗冲击行为的影响,对冲击力时程曲线、冲击力-位移关系、裂缝和变形的发展以及最终的破坏形态进行了对比和分析,为深入了解混凝土柱的抗冲击性能提供了数据支持。

1 试验概况

1.1 试验装置

本文试验采用水平撞击试验机对4根钢筋混凝土悬臂柱进行了侧向冲击试验。该水平撞击试验设备位于南京工业大学碰撞试验室,主要由试验车辆、水平导轨、钢索和落锤牵引装置等组成,如图1所示。在试验过程中,落锤被提升至某一高度,移动试验车辆使钢索处于绷紧状态,突然释放落锤,在重力作用下落锤和试验车辆一同做加速运动。当落锤下降到地面时,试验车辆与钢索自动脱离,车辆继续向前运动,与试验构件发生碰撞并回弹。基于能量守恒定律,车辆的冲击速度可以由公式(1)计算得到。

(1)

式中:m1和m2分别为试验车辆与落锤的质量;g为重力加速度,g=9.8 m/s2;h为落锤的提升高度;vi为试验车辆与试件的冲击速度;μ为试验车辆与水平导轨的摩擦系数,根据已有的试验数据计算得到,μ≈0.115。

形试验车辆前端配置刚性锤头,锤头的尺寸为长×厚×高=580 mm×80 mm×200 mm。四个量程均为500 kN动态压力传感器安装在锤头的后方。此外,光纤传感器和激光位移计安装在试件附近,光纤传感器用来触发整个采集系统和测量车辆冲击速度,激光位移计则用来监控试验车辆在冲击过程中运动情况。

图1 水平撞击试验设备示意图Fig.1 Schematic of horizontal collision facility

1.2 试件设计

本文试验共设计了如图2所示两种不同箍筋间距的直径为330 mm圆形截面钢筋混凝土柱,高度为1 700 mm。其中类型1的箍筋间距为100 mm,而类型2的箍筋间距为330 mm。每种类型的试件各两根。试件包括混凝土基础和混凝土柱两个部分,混凝土基础为一个立方体,长和宽均为900 mm,高度为500 mm。各个试件均采用设计强度等级为C30的混凝土,粗骨料的最大直径为25 mm。柱纵筋采用16根直径为8 mm的HRB400热轧螺纹钢筋;而柱箍筋采用直径为6.5 mm的HPB300热轧光圆钢筋。纵筋沿柱截面的环向均匀配置,保护层厚度为26 mm,纵筋配筋率为0.94%。类型1和类型2柱采用闭合圆箍筋,搭接长度为220 mm,二者箍筋间距分别为100 mm和330 mm,相应的,二者箍筋的体积配筋率分别为0.3%和0.09%。此外,在试验过程中,使用4个预应力螺纹钢筋将试件的基础固定在地面上。

图2 钢筋混凝土柱试件尺寸及配筋(单位:mm)Fig.2 Design details of RC column specimens (Unit:mm)

如表1所示,本文共进行了4次混凝土悬臂柱侧向冲击试验。4次试验所使用的试验车辆的总质量均为1 582 kg。试验车辆前方的锤头的撞击位置距离柱底400 mm。试验选取两种速度分别对两种类型的试件进行了冲击试验,两种速度分别为3.00 m/s和4.50 m/s。试件的编号由字母和数字两部分组成,字母用来区分两种不同冲击速度,L和H分别代表3.00 m/s和4.50 m/s;数字代表混凝土柱的类型。例如,试件H1是指箍筋间距为100 mm且冲击速度为4.50 m/s的试件。

混凝土柱的极限抗剪承载力Vusc与极限抗弯承载力Pu根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)计算得到,如表1所示。其中,极限抗剪承载力Vusc=Vu,Vu为集中荷载作用下混凝土柱的斜截面抗剪承载力;极限抗弯承载力Pu=Mu/a,其中Mu为圆形混凝土柱的正截面抗弯承载力,a为冲击中心位置到柱底端的距离,取值为400 mm。根据计算得知,在静力作用下,箍筋间距为100 mm的类型1混凝土柱应发生弯曲破坏;而类型2混凝土的箍筋间距为330 mm,其破坏形式应为剪切破坏。

表1试件设计参数

Table 1Design parameters of specimens

注:s为试件的箍筋间距;ρsv为柱箍筋的体积配筋率;Vusc为柱极限抗剪承载力;Pu为柱极限抗弯承载力;Vi为试验车辆的测量冲击速度;Ei为试验车辆冲击动能

1.3 数据测量

在试验中,落锤的质量与落锤的提升高度由公式(1)计算得到。由于某些无法控制的因素,实际测量的冲击速度与选取速度的值有所差异,各个构件的冲击速度列于表1。

在试验过程中,使用多种传感器监测混凝土柱在冲击过程中的响应。在混凝土柱的背面高度方向布置了6个位移计,传感器的具体位置如图3所示。数据采集系统为NI PXIe-1062Q,并使用LabVIEW Signal Express软件进行采集,所有传感器信号的采样频率为500 kHz。此外,在试验过程中使用高速摄像机对混凝土柱在冲击作用下的变形进行了记录,拍摄频率为400帧/s。

图3 试验中传感器的位置(单位:mm)Fig.3 Arrangement of sensors (Unit:mm)

2 试验结果与分析

2.1 变形及裂缝的发展过程

试验采用高速摄像机对混凝土柱在冲击过程中的变形和裂缝的发展过程进行了记录,如图4-图7所示。试件柱表面方格间距为50 mm。

试件L1在7.5 ms时刻,在柱底部附近出现了一条微小的斜裂缝,该斜裂缝从柱的底端一直延伸到冲击部位,与水平面的夹角约为45°。此后,该裂缝不断变宽,同时其附近出现许多微小的裂缝。试件L2在5.0 ms时刻,在同样的位置开始出现一条微小的斜裂缝。

试件H1在5.0 ms时刻,一条斜裂缝从柱的底端延伸到到冲击部位。7.5 ms时,该斜裂缝继续变宽,同时附近出现另一条斜裂缝。此后,两条斜裂缝继续扩展,在约30 ms时,斜裂缝附近的混凝土保护层开始脱落。而试件H2在2.5 ms时刻,混凝土柱底部出现第一条斜裂缝;在5.0 ms时,出现了与第一条裂缝平行的新裂缝,此后,在两条斜裂缝之间出现了众多微小裂缝,在约10 ms,其附近的混凝土保护层开始脱落。此后,混凝土柱持续变形,混凝土保护层大量脱落。在50 ms时,试件H2的变形比试件H1明显大得多。

由于高速摄像机分辨率的原因,图4-图7无法捕捉到某些非常细小的裂缝,比如沿水平方向延伸的弯曲裂缝。从斜裂缝的发展过程可以看出,较高柱配箍率的试件在冲击作用下第一条斜裂缝出现的时间较晚,在冲击过程中,斜裂缝的数量也较少。试验结果显示,增加混凝土柱配箍率可以提高柱的抗冲击性能。

图4 L1变形和裂缝发展过程Fig.4 Development of deformation and cracks for L1

图5 L2变形和裂缝发展过程Fig.5 Development of deformation and cracks for L2

2.2 破坏形态

在冲击作用下,各个试件的最终破坏形态如图8所示。在所有的试件中均存在明显的剪切斜裂缝,这种裂缝位于冲击位置和柱子底部之间。除此之外,试件表面还存在一些微小的沿水平方向开展的弯曲裂缝,这些微小的裂缝大部位于柱子箍筋的位置,这可能是由于箍筋的保护层厚度较小造成的。

图6 H1变形和裂缝发展过程Fig.6 Development of deformation and cracks for H1

图7 H2裂缝和变形发展过程Fig.7 Development of deformation and cracks for H2

试件L1和L2遭受了基本相同的质量和速度的冲击作用,两者均产生了多条明显的剪切斜裂缝。剪切斜裂缝从柱子底端后侧与水平方向约成45°向冲击部位延伸,到达冲击部位最下端(距离柱底300 mm)位置。在冲击面,试件L1和L2冲击高度以下区域存在水平方向的弯曲裂缝,这些裂缝基本与箍筋的位置一致;尤其是柱底端与基础之间存在明显的裂缝,这说明在冲击作用下支座位置经受了较大的弯矩。在冲击的背面,试件L1和L2冲击高度以上的区域同样存在水平方向的弯矩裂缝,这些裂缝在悬臂柱静态加载状态下并不会出现,这些裂缝是由于柱冲击高度以上部分的惯性造成的。试件L1和L2在约3.0 m/s冲击作用后损伤较小,没有混凝土块脱落。虽然试件L1和L2的箍筋间距不同,但是除了一些微小的裂缝,两者的破坏形态基本一致。

图8 冲击作用下试件最终的破坏形态Fig.8 Final damage patterns of specimens subjected to impact loading

试件H1和H2遭受了约4.50 m/s冲击作用,两者均产生了严重的剪切斜裂缝,斜裂缝贯穿了整个柱截面,形成了剪切破坏面。同时,斜裂缝附近的混凝土块大量脱落,冲击位置的纵筋变形明显并且裸露出来。在冲击部位以下试件H1有3根箍筋,而试件H2只有1根。从图4中可以看出,相比试件H1,试件H2在冲击作用后发生更严重的损伤,更多混凝土脱落,柱子变形更大,这是因为箍筋在混凝土完全开裂后箍筋继续提供抗剪承载力,较多的箍筋可以显著提高柱的抗剪承载力。值得注意的是,相比试件H2,试件H1表面的水平方向弯曲裂缝更多且更宽。试验结果显式配置较多箍筋的混凝土柱在冲击作用下发展了更多的弯曲裂缝,这与文献[11]的试验结果是一致的。

从试件的破坏形态可以看出,剪切破坏机制对试件的抗冲击行为有重要影响。试件在冲击作用下均出现了剪切斜裂缝为主的破坏形态。在低速冲击下,柱配箍率对柱的抗冲击行为的影响比较有限,这是因为此时混凝土未出现较大的斜裂缝,箍筋变形较小,柱剪力主要由混凝土部分承担。在高速冲击作用下,增加柱配箍率可明显减少柱的变形和损伤程度。

2.3 冲击力时程曲线

本文采用低通滤波技术对冲击力时程进行了处理,其截止频率为800 Hz。截止频率的选取考虑了两个方面的限制:一方面,高频噪音信号需要被剔除;另一方面,试件在冲击作用下的响应信号需要被保留。各个试件的冲击力时程曲线如图9、图10所示。

图9 试件L1和L2的冲击力时程曲线Fig.9 Time history curves of L1 and L2 impact force

图10 试件H1和H2的冲击力时程曲线Fig.10 Time history curves of H1 and H2 impact force

从图9、图 10可以看出,各个试件的冲击力在冲击开始后迅速增加,在1.5 ms达到最大值,然后陡然下降并形成第一个峰值,此峰值也是整个冲击力时程曲线的最大值。对于L1和L2,二者冲击力在0 ～ 2.5 ms时间内几乎完全重合,第一个峰值以后,冲击力出现微小震荡并缓慢下降,当20 ms左右时,二者的冲击力恢复为零。有意思的是,L1的冲击力在45 ～ 60 ms之间又出现一个波峰(约50 KN),这意味着在该时间段内试件L1与试验车辆之间发生了第二次碰撞。对于试件H1和H2,冲击力在1.5 ms附近同时达到最大值,但是H2的最大冲击力稍大。在2.5 ms时刻以后,二者的冲击力出现较大的差异。相比试件H1,试件H2的冲击力以一个较大的斜率迅速下降,10 ms时刻,试件H2的冲击力几乎为0,此时H1的冲击力的值约为150 kN。这主要是因为,试件H2在冲击作用下发生了更大的损伤(图7、图8),导致混凝土柱刚度的急剧下降。此后试件H1和H2的冲击力开始在一个较低的水平(约70 kN)震荡,最终分别在60 ms和80 ms左右恢复为0。

2.4 冲击力-位移曲线

在冲击过程中结构耗散的能量是评价其抗冲击性能的一个重要参数。图11展示了各个试件的冲击力与冲击点处位移之间的关系。冲击力-位移曲线所包含的面积代表着混凝土柱经历变形和损伤而耗散的能量。此处的位移由激光位移计测量得到。

由图11可知,对于试件L1和L2,当位移较小时,冲击力随着位移线性增加,其增长的斜率均相同。当位移增加到3.5 mm左右时,二者冲击力达到最大值;此后,随着位移的增加,冲击力迅速下降。试件L1的位移达到最大值时,冲击力约80 kN左右;对于试件L2,当其位移达到最大值18.3 mm时,冲击力的值为150 kN左右。随后,试验车辆回弹,冲击力随位移的减少迅速降低为0。值得一提的是,试验车辆在回弹过程中与试件L1发生了第二次碰撞。

图11冲击力-位移关系曲线Fig.11 Relationship between impact force and displacement

对于试件H1和H2,其在冲击过程中耗散的能量明显大于试件L1和L2。当位移较小,冲击力随位移的增长率与试件L1和L2几乎相同。当位移增加到5.0 mm左右时,两者的冲击力达到最大值;此后,随着试验车辆位移的增加,冲击力逐渐下降,但下降的斜率逐渐减少。当位移达到40 mm以后,二者冲击力趋于一个固定值(约70 kN)。对于试件H1,试验车辆位移达到70 mm左右后回弹。对于试件H2,试验车辆的最大位移约80 mm。

从图11可明显看出,相比低速冲击,较高速度冲击作用下的混凝土柱所耗散的能量要大很多,试验车辆的最大位移也较大。但是,低速冲击作用下的冲击力-位移曲线非常饱满,这意味着在冲击作用后,混凝土柱仍有较大的刚度和承载力;对于高速冲击,其力-位移曲线较扁平,并且存在较长的平台。由此可以看出,高速冲击作用后,柱子遭受较大的损伤,残余刚度和承载力较低。

2.5 混凝土柱变形图

图12、图13给出了试件在冲击过程中的柱变形曲线随时间的变化情况。图中某一柱高对应的位移由响应的位移计给出,并假设柱底端位移为零。值得注意的是,图中曲线仅仅将相邻的数据点连接起来,无法完全代表混凝土柱真实的变形状况。

图12 试件L1和L2的变形图Fig.12 Deformed shape of L1 and L2

图13 试件H1和H2的水平位移图Fig.13 Lateral displacement of H1 and H2

从图12可以看出,对与试件L1和L2,在冲击的初始时刻(小于5.0 ms),柱的最大变形发生在冲击位置附近(柱高0.4 m 附近),而柱的上部由于惯性效应而位移较小。10 ms时刻,柱的上部位移已经超过了冲击位置附近的位移。20 ms时,试件L1和L2的冲击作用结束,试件开始做自由振动。约30 ms时,二者的水平位移达到最大值,此后柱子开始回弹,并做往复运动直到停止。

从图13可以看出,试件H1和H2在冲击的初始时刻,其变形曲线与试件L1和L2相似,即柱的最大水平位移发生在冲击位置附近。随着冲击时间的增长,其冲击附近位置的变形持续增大,并在冲击高度附近形成了一个尖角。这意味着,柱底端发生了严重的剪切变形。相比于试件H1,试件H2的水平位移更大,表明遭受了更多的损伤。10 ms 以后,由于试件的水平位移过大导致某些位置的位移计失效,因此随后的变形曲线并未给出。

统计试件的综合试验结果如表2所示。其中试验车辆的回弹速度由激光位移计的数据计算得到。从表2可以看出,对于配箍率较大的混凝土柱(试件L1和H1),试验车辆的回弹速度、冲击力的冲量、柱耗散能和冲击力均值也较大,而试验车辆的最大位移较小。这里再一次表明了,提高混凝土柱的配箍率可提高其抗冲击性能。最大冲击力与冲击速度有显著的关系,而与柱的配箍率无明显关系。

表2试验结果

Table 2Summary of experimental results

3 结 论

本文对4根钢筋混凝土悬臂柱侧向冲击试验进行了详细的描述,得到了相关的冲击力时程曲线、柱变形曲线、试件变形及裂缝的发展过程和试件最终的破坏形态等试验结果。通过对以上试验结果的分析,本文对比了冲击速度和箍筋配筋率对混凝土柱抗冲击行为的影响,并得到以下结论:

(1) 本试验中,所有试件均出现明显的剪切斜裂缝,该斜裂缝位于混凝土柱底部与冲击部位之间,与水平方向约成45°。同时在箍筋位置附近,试件出现沿水平方向微小的弯曲裂缝。在高速冲击作用下,试件出现了严重的斜裂缝,斜裂缝附近的混凝土大量脱落,受冲击部位混凝土被压碎。

(2) 剪切机制对混凝土梁柱构件的抗冲击行为有重要的影响。在冲击作用下,无论在静态加载下弯曲破坏或是剪切破坏的混凝土柱均出现严重的剪切斜裂缝。

(3) 提高混凝土柱的配箍率可提高其抗冲击性能。在低速冲击作用下,混凝土柱的剪力主要由混凝土承担,配箍率对混凝土柱在冲击作用下的响应影响不大。但是在高速冲击作用下,增加配箍率可显著提高柱的变形能力并减少冲击对混凝土柱的损伤。

(4) 本试验对各个试件变形曲线进行了分析,试验结果表明,在冲击作用的初期,惯性力效应对混凝土柱的变形有较大影响。由于惯性力的存在,混凝土柱上部的水平位移在冲击的初期较小。