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钢筋混凝土梁冲击响应的有限元分析

范文

王中泉　杨永辉

摘要：为了研究普通钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的应力与位移分布规律，本文采用非线性有限元分析软件Abaqus建立了钢筋混凝土梁的有限元分析模型，结合试验测得的混凝土与钢筋材料的力学性能参数分析了钢筋混凝土梁在沖击荷载作用下应力场与位移场分布情况。结果表明，梁侧面最大拉应变区域与梁出现裂缝的区域相同，其破坏规律可用最大伸长线应变理论进行解释。

Abstract：? In order to study the stress and displacement distribution of ordinary reinforced concrete beams under impact loading， the finite element analysis model of reinforced concrete beams is established by using nonlinear finite element analysis software Abaqus. The distribution of stress field and displacement field of reinforced concrete beams under impact loading is analyzed by combining with the mechanical properties parameters of the concrete and steel materials. The results show that the maximum tensile strain area on the side of the beam is the same as the cracked area in the beam， and the failure law can be explained by the maximum elongation line strain theory.

关键词：混凝土梁;冲击荷载;显式动力学;有限元分析

Key words： concrete beam;impact load;explicit dynamics;finite element analysis

中图分类号：TU375.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2019）33-0276-02

0? 引言

研究钢筋混凝土结构在冲击荷载作用下破坏规律对于高烈度山区生命线工程[1]的防灾减灾具有重要意义。目前中、美、英等国的设计规范均对桥墩防撞设计作出了相关规定，然而各国规范大都采用简单的静力设计法，没有考虑桥墩刚度、延性等参数对撞击力的影响。同时因为路面的不平顺性，行驶在路面的汽车荷载可能会对混凝土桥梁结构产生动力冲击作用。

宋敏等[2]在钢筋三折线本构模型中引入应变率效应，对钢筋混凝土梁在不同高度冲击下的结构响应进行了数值模拟，分析结果表明，增大配筋率能够提高梁的承载能力，但随冲击速度的增大，配筋率对梁抗变形能力的增强效果逐渐减弱。周晓宇等[3]以一座大跨斜拉桥钢筋混凝土桥面板为研究对象进行落物冲击分析，得到重型货物坠落冲击钢筋混凝土桥面板的破坏机理为压缩应力波背侧发射造成的局部混凝土开裂，桥面板整体响应不显著的结论。葛照才[4]以固支的圆板为例，分析了荷载大小和作用时间对板动力响应的影响。

本文采用钢筋-混凝土分离式建模技术对配筋混凝土梁进行三点弯曲数值模拟，分别分析钢筋和混凝土梁在冲击荷载作用下应力的分布规律。

1? 材料与模型

本试验所用混凝土设计强度等级为C35，其配合比如表1所示。浇注16个100mm×100mm×100mm立方体试块，测定混凝土的单轴压缩强度。

本文模拟如图1所示钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的应力场的分布规律，其中纵向钢筋采用直径d=8mm的HRB400级钢筋，鼓劲采用直径d=6mm的HRB300级钢筋。

采用ABAQUS有限元分析软件建立钢筋混凝土梁有限元分析模型，其中混凝土材料参数采用基于C35混凝土试验参数的损伤塑性模型;钢筋采用理想弹塑性模型。采用显式（Explicit）算法，混凝土采用减缩积分的八结点线性六面体单元，钢筋采用三维桁架单元，钢筋混凝土梁三维有限元模型如图2所示。

2? 结果

简支钢筋混凝土梁在30kg冲击荷载作用下，在跨中产生自拉伸区域向压缩区域扩展的裂缝，底部裂缝宽度最大，向上逐渐减小，如图3所示。

有限元分析时采用相同质量的荷载，并以相同的速度的冲击荷载作用于混凝土上，可得到混凝土与钢筋骨架的应力分布云图。

图4为钢筋混凝土梁的三维立体模型的Mises等效应力图，用于判断最危险截面。上方圆柱体为落锤模拟部件，在落锤冲击后，受到冲击部位和下方左右支撑部位有显著的应力变化。

图5为混凝土梁最大拉应变分布云图，梁中部区域出现最大应变，根据混凝土破坏的第二强度理论，该区域出现破坏;此结果与图3所示实验结果相同。

图6为混凝土梁内部钢筋骨架水平向正应力分布云图，结果表明，下侧纵向钢筋受拉，上侧纵向钢筋受压;其分布规律与简支梁在准静态集中荷载作用下的分布规律相同。

3? 结论

本文采用数值模拟方面对钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的力学性能展开研究，分析结果表明：在冲击过程中，当冲击部位位于梁体中间时，受到冲击后梁体因超过材料的最大拉应变极限而产生裂缝。梁体发生向上挠曲变形，梁上部受力部位与两侧支撑部位有明显的应力变化，梁下部呈现大面积的拉应力，上部中间出现压应力。

参考文献：

[1]徐丹，王涛，FERNANDO Moreu.防撞梁在超高车辆撞击铁路桥梁中的防撞性能研究[J].世界地震工程，2018，34（04）：136-142.

[2]宋敏，王志勇，闫晓鹏，王志华.落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的数值模拟[J].高压物理学报，2018，32（03）：60-67.

[3]周晓宇，马如进，陈艾荣.行车落物冲击下钢筋混凝土桥面板的安全性能[J].华南理工大学学报（自然科学版），2018，46（04）：137-145.

[4]葛照才.冲击荷载作用下钢筋混凝土板的动力性能研究[J].山西建筑，2015，41（07）：35-36.

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