钢筋混凝土结构抗冲击研究综述--中国期刊网

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钢筋混凝土结构抗冲击研究综述

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2021年1月下作者：方锐1

[导读] 钢筋混凝土结构常用做结构中的梁、板、柱等承重结构，在役期间可能遭受意外撞击，撞击后可能造成局部直接破坏，继而产生结构的冲击振动甚至结构倒塌等多种形式的破坏效应，从而带来巨大的生命和财产损失。冲击是发生在力学系统中由于撞击体与该系统动力接触的一种现象,特点是在非常短的时间间隔内接触点的速度急剧变化和非常大的力的瞬间作用。

广东省广州市番禺区大学城广州大学方锐1 510006

[摘要]：钢筋混凝土结构常用做结构中的梁、板、柱等承重结构，在役期间可能遭受意外撞击，撞击后可能造成局部直接破坏，继而产生结构的冲击振动甚至结构倒塌等多种形式的破坏效应，从而带来巨大的生命和财产损失。冲击是发生在力学系统中由于撞击体与该系统动力接触的一种现象,特点是在非常短的时间间隔内接触点的速度急剧变化和非常大的力的瞬间作用。冲击荷载是一种延伸到高频阶段频率的高强度、持续时间短为特征的脉冲荷载。在冲击荷载作用下钢筋混凝土结构将以高于静态许多量级的应变速率变形，表现出与静态受载时不相同的力学行为。由于冲击荷载的破坏性大，往往成为结构设计过程中的控制因素。国内外学者在大量的试验基础上，进行了钢筋混凝土结构冲击理论的系统研究。
[关键词]：钢筋混凝土结构；抗冲击
        1、研究背景及意义
        混凝土结构形式的出现极大改善了人们的工作和出行条件，为社会发展提供了强大的物质基础。在混凝土的设计理论体系中，最核心的内容之一是极限状态设计理论【1】。
        对于正常设计、正常施工、正常使用以及正常维护的混凝土结构，我们很难确定其使用寿命，但结构在正常使用中可能经受地震、火灾、爆炸、冲击和其它偶然事故的发生。结构在冲击荷载作用下可能毁于一旦，对于人口密集的建筑群，结构破坏倒塌之后产生的不仅仅是经济.上的损失，更对人的生命安全造成极大的.危害，对社会产生的影响往往也极其恶劣。因此，现在的研究人员应该能够充分认识冲击事件带来的危害并加深研究。
        各种工程结构在冲击荷载作用下破坏引发的严重后果令人胆颤心惊，以恐怖.袭击为背景的结构抗爆设计理论和方法远未完善，土木工程师对此还比较生疏。结构在偶然冲击荷载作用下引发的破坏所造成的结果往往十分严重，我们应该认识到事故是不可避免的，工程结构应该具有抵抗各种事故的能力。
        工程结构在冲击荷载作用下与在静力作用下的响应极其不同，现阶段该领域的研究水平落后于社会发展的实际需要。不仅如此，对于在冲击荷载作用后结构抗连续倒塌的研究也较为局限【2】。因而在现有的研究基础之上，针对工程结构的抗.冲击作用方面的试验研究、理论研究和数值模拟应该广泛开展，对结构抗冲击性能的深入研究能够更好的应对不断的社会发展对结构抗冲击性能的需求【3】。
        2、国内外研究现状
        2.1国内研究现状
        1985年同济大学的刘祖华和朱伯龙研究了钢筋混凝土槽形板受冲击荷载作用的弹塑性反应。1986?年清华大学的陈肇元等通过试验研究探讨了钢筋混凝土梁在快速变形下的受力性能，得到以下主要结论:
        (1)抗弯承载力:快速加载下，构件开裂荷载、混凝土开裂前和开裂后构件的刚度、构件的抗弯承载力与静载下同类构件相比均有提高;荷载-挠度曲线与静载试验十分相像;变形性能如受压区混凝土的极限应变和延性比等与静载下构件的性能接近。
        (2)抗剪承载力:钢筋混凝土梁在快速加载或变形作用下，两端斜裂缝破坏模式与静载相同，随剪跨比的增大而逐渐过渡;极限抗剪承载力与静载的同类构件相比有显著提高。.
陈肇元等人同时探讨了钢筋混凝土轴压与偏压构件在轴向快速变形下的破坏形态和变形性能，得到了以下主要结论:
        (1)在快速变形作用下钢筋混凝土柱的极限承载力明显提高，提高的幅度主要取决于钢筋和混凝土材料强度的提高值。
        (2)构件的破坏形态、变形性能和指标值等都与静载构件的无明显差别。
        2006年中国科学技术大学的李砚召等通过落锤试验方法研究了无粘结部分预应力混凝土梁的动态位移延性和极限承载。
        2008年南京工业大学的张南等人进行了固一简支约束钢筋混凝土圆形桥墩轴向施加静态轴心压力、侧向施加落锤冲击荷载的试验研究。

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可见，近三十年来国内外学者对冲击荷载下钢筋混凝土结构的动力性能研究进行了大量的试验工作，主要成果有:
        (1)通过落锤试验研究获得了冲击力时程、加速度时程、位移时程、应变时程等动力反应以及结构的破坏模式，同时将冲击试验结果与静载试验结果对比分析;
        (2)通过试验研究分析了冲击速度、钢筋配筋率、混凝土强度、约束条件等对结构动力性能的影响;
        (3)既进行了结构在-次冲击下破坏时的试验研究，又进行了结构在累积冲击下破坏时的试验研究。
        2.2国外研究现状
        1917年，Abrams?等人[凹发现了混凝土具有率敏感性，其抗压强度受应变率的影响，混凝土在动力作用下的性能与在静力作用的性能有较大差异，对于认识混凝土结构在动力作用下的响应有着重要的作用。
        1983年，Vos等人通过试验测量钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系，试验结果表明增加加载速率和提高混凝土强度不能使光圆钢筋的粘结性能有明显的提高，但是变形钢筋应变率效应较大、对混凝土抗压强度影响较大，粘结性能提高较大。
        1987年，Banthia等人对普通钢筋混凝土梁、高强钢筋混凝土梁和纤维钢筋混凝土梁进行了高应变率下的落锤冲击试验，分析表明由于冲击荷载速率较高，梁体中产生的裂缝不能有足够的时间充分发展而使得强度增加，不能通过传统的静力性能试验来预测混凝土的动力性能。
        1987年，Soroushian等人对钢筋在不同应变率作用下的动力效应进行了研究，见图1.4。研究结果表明:钢筋具有应变率效应，随着应变率提高钢筋强度增大，其中钢筋的屈服强度比极限强度更具有率敏感性:不同类型钢筋的应变率效应差别不大。
        1991年，FuH等人对钢筋混凝土构件的应变率效应进行了总结分析，从文中可知:加载速率提高，混凝土的强度和刚度以及钢筋的屈服强度均有提升:在动载作用下塑性铰的形成推迟，滞回耗能较少，在静力荷载作用下发生延性弯曲破坏的构件在动力作用下可能转变为发生脆性的剪切破坏。
        3、结论
        从前人的实验研究可以得出以下结论：
        （1）在相同冲击能量下，?轴压比在一定范围内增加时，可以提高钢筋混凝土墙的抗冲击性能，且随着轴压比的增加，钢筋混凝土墙体板中心位移减小的幅度逐渐变小。
        （2）增加钢筋混凝土墙的墙宽能够使墙体平行于冲击荷载方向的横截面增大，截面惯性矩增大，使得截面抗弯和抗剪能力均提高，从而有效的提高了钢筋混凝土墙的抗冲击性能。
        （3）钢筋混凝土墙加入边缘构件，增强了墙体的整体抗弯能力，同时增强了对墙体中间区域的约束作用，使得墙体的抗冲击性能提高。
        （4）在相同冲击作用下，有轴压的墙体的损伤较为集中、墙宽较宽的墙体的损伤程度较轻、边缘构件的加入能够有效分担冲击能量。
        4、展望
        尽管国内外学者对钢筋混凝土结构冲击理论已有较为系统的研究，但是还有一些有待进一步深入了解的内容。
        （1）在以往对钢筋混凝土墙结构抗冲击研究中，构件及结构上施加荷载作用均是通过力加载的方式，在实际结构中的竖向力主要是上部结构的重力作用，因此采用力加载有局限性、没有考虑到上部结构惯性力的作用，在以后的研究可将该因素加以考虑，使研究成果更加完善。
        （2）对钢筋混凝土框架的研究没有考虑结构的空间作用和楼板的有利作用，还需要进一步研究。
        （3）在以往的研究中学者一般仅建立剪力墙结构的缩尺模型来进行分析，在后续的研究中可利用计算性能较高的计算机对整体剪力墙结构进行建模并按照实际结构中的荷载作用对结构进行加载分析研究。
        （4）钢筋混凝土抗冲击性能的影响因素较多，试验的随机性较大，在后续研究工作中可考虑同时采用多种因素结合的方法对钢筋混凝土抗冲击性能进行研究。
参考文献：
[1]宿华祥. 混凝土剪力墙结构抗冲击及抗连续倒塌性能研究[D].湖南大学,2019.
[2]何建,廖振鹏,徐定海.地下混凝土防护结构抗冲击可靠性分析[J].哈尔滨工业大学学报,2008(08):1279-1283.
[3]马彦会,赵振军,吕海波,任革学.细长结构抗冲击系统的动力学设计研究[J].强度与环境,2017,44(01):27-35.