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摘要：高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載時，可能對結(jié)構(gòu)造成大的損壞，在國內(nèi)外對沖擊荷載的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例對沖擊荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)進(jìn)行研究，以方便工程人員在處理檢測數(shù)據(jù)時使用。...

 沖擊荷載對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞實(shí)例分析

陳奇  贠作義

（西安建工集團(tuán)有限公司  西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院）

    隨著城市化進(jìn)程的加快，高層結(jié)構(gòu)在同樣的土地資源情況下，能滿足更多人的住房需求，因此在本來土地資源就匱乏的城市里，高層建筑越來越多，但同時高層結(jié)構(gòu)也帶來了一些隱患。在施工階段和正常使用階段，高層建筑在承受正常的設(shè)計(jì)荷載之外，常常也會承受沖擊荷載，如汽車的撞擊，高空墜物等。沖擊荷載持時短、高強(qiáng)度的脈沖荷載，其作用可能會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成比較大的損壞，因此國內(nèi)外對沖擊荷載下混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力進(jìn)行了大量的研究。本文結(jié)合某框架-剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)例，對沖擊荷載對混凝土梁板的受力破壞做以分析

1.國內(nèi)外沖擊荷載的在實(shí)際工程中研究現(xiàn)狀

    沖擊荷載是短暫的荷載作用很難準(zhǔn)確的描述，沖擊作用的瞬間，由于沖擊物的速度、質(zhì)量一起兩物體的性質(zhì)及材料性質(zhì)的不同，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也不相同。國內(nèi)外學(xué)者對沖擊荷載的破壞模式、受力性能做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析，理論上對沖擊荷載的研究方法主要借鑒經(jīng)典沖擊理論，其方法分兩類：經(jīng)驗(yàn)公式法和動力分析法。

    1.1經(jīng)驗(yàn)公式法

    經(jīng)驗(yàn)公式法主要采用擬靜力研究方法，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，將沖擊荷載作用下構(gòu)件的應(yīng)力變形計(jì)算，轉(zhuǎn)化為靜力計(jì)算，并考慮到總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，在工程中，通常采用一種較為粗略但偏于安全的簡化計(jì)算方法，作為被沖擊物內(nèi)沖擊應(yīng)力的估算，在中對自由落體撞擊構(gòu)件的變形計(jì)算，根據(jù)能量守恒原則給出沖擊動荷因數(shù)，將沖擊問題簡化為等效的靜力問題。

    1.2動力分析法

    動力分析法是根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)力學(xué)性能的相似原理，由于沖擊荷載的作用時間非常短, 因此作用在結(jié)構(gòu)中的阻尼力還未發(fā)生作用的情況下, 構(gòu)件就已達(dá)到位移了最大值或發(fā)生破壞, 為了計(jì)算簡單, 常常在沖擊荷載作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算工中可不考慮阻尼作用。動力分析方法的缺點(diǎn)在于模型假設(shè)不同，會得到不同的結(jié)果和誤差，并可能遺漏對結(jié)構(gòu)有影響的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致分析不夠嚴(yán)密。而對于多自由度結(jié)構(gòu)計(jì)算，這種誤差更可能發(fā)生，而且計(jì)算量相當(dāng)大，因此該方法實(shí)際操作有很大的難度。

    1.3有限元分析法

    隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛發(fā)展與應(yīng)用，對沖擊問題用有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究越來越對，數(shù)值模擬的精度要比經(jīng)驗(yàn)公式分析方法和動力分析方法進(jìn)度要高許多。以前由于條件的限制，要通過計(jì)算的出結(jié)果，需花費(fèi)大量的人力和時間，而且不一定能實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在我們利用數(shù)值模擬的方法研究沖擊問題。從上世紀(jì)70年代以來，相繼使用LS-DYNA等一系列用于動力響應(yīng)分析的動態(tài)非線性有限元程序，這些軟件已我們在結(jié)構(gòu)沖擊動力行為分析方面的得力助手，并且取得了一系列研究成果。

盡管做了以上大量的研究，但對實(shí)際工程中的應(yīng)用研究還有所欠缺，本文借鑒經(jīng)典沖擊理論，根據(jù)規(guī)范要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法，采用擬靜力研究方法，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，將沖擊荷載作用下構(gòu)件的應(yīng)力變形計(jì)算，轉(zhuǎn)化為靜力計(jì)算，通常采用一種較為粗略但偏于安全的簡化計(jì)算方法，不考慮考慮阻尼和摩擦等能量的損失，給沖擊荷載乘以動荷因數(shù)，作為被沖擊物內(nèi)沖擊應(yīng)力的估算，將沖擊問題簡化為等效的靜力問題，為工程檢測人員對檢測數(shù)據(jù)的處理提供參考。

2.工程實(shí)例

    2.1工程概況

    該工程為鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，上部主體結(jié)構(gòu)在施工時附著式腳手架掉落,對負(fù)一層地下車庫梁L-3、L-4、L-5造成直接的沖擊荷載,且破壞嚴(yán)重，而L-1、L-2承受間接荷載，相對來說破壞不是很明顯。附著式腳手架的恒載包括架體結(jié)構(gòu)、維護(hù)設(shè)施、作業(yè)層設(shè)施、固定于架體上的升降機(jī)構(gòu)和其他設(shè)備、裝置等自重，活載包括施工人員、材料及施工機(jī)具等自重。主體結(jié)構(gòu)地上30層，地下2層，建筑主體高度99.9米，抗震設(shè)防烈度為8度，其中框架抗震等級一級，剪力墻抗震等級一級，設(shè)計(jì)使用年限為50年。環(huán)境類別為二a類，地下室部分混凝土構(gòu)件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度：剪力墻、梁、板均為C45,梁截面尺寸為350x700mm，縱向受力鋼筋HRB335，混凝土板厚160mm。

    2.2計(jì)算荷載的選取

    根據(jù)《荷載規(guī)范》規(guī)定,電梯豎向撞擊荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可在電梯重力荷載的4~6倍范圍內(nèi)選取,即給重力荷載乘以相應(yīng)的動荷因數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為靜力荷載。本工程受力類似電梯的豎向撞擊荷載，參考該規(guī)定，在直接受到?jīng)_擊荷載的位置選取撞擊荷載的標(biāo)準(zhǔn)值取為重力荷載的6倍，對于間接受力的梁該動荷因數(shù)選取為4進(jìn)行計(jì)算，將撞擊荷載按靜力等效原則，轉(zhuǎn)化為梁上施加的均布荷載，梁自重相對撞擊荷載很小，所以在計(jì)算中忽略梁的自重對變形的影響。

    2.3檢測結(jié)果

    根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）

    坡道板的長邊與短邊長度之比小于2.0，按雙向板考慮，頂板沿長邊方向開裂，裂縫未見貫通；坡道底板裂縫大致沿塑性鉸線方向出現(xiàn)，附近開裂裂縫寬度0.25～1.0mm，破壞形態(tài)和承受均布靜力荷載是板的破壞形態(tài)相似。梁的裂縫寬度寬度在1.8～3.5mm，對梁進(jìn)行取芯檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫多處貫通，梁破壞嚴(yán)重，因此主要對梁受進(jìn)行計(jì)算，對比實(shí)測結(jié)果，選取加固方案。用回彈法檢測梁板混凝土強(qiáng)度，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

    2.4力學(xué)模型的選取

    由于鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，梁在結(jié)構(gòu)主體中很難確定的支撐類型，通過對兩端固結(jié)，一端鉸接，兩端簡支三種不同支撐類型的試算，結(jié)果表明：前兩種支撐類型計(jì)算結(jié)果偏于保守，與實(shí)測數(shù)據(jù)相差較大，因此假定梁的力學(xué)計(jì)算模型為承受均布荷載的彈性均質(zhì)簡支梁。

    2.5變形計(jì)算

    對于簡支梁，根據(jù)最小剛度原則，選取全跨范圍內(nèi)彎矩最大截面處的最小剛度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對用HRB335級鋼筋配筋的簡支梁，高跨比在1/20~1/10時，允許撓度值為lo/200。

受彎構(gòu)件的短期剛度:B_S

      根據(jù)混凝土規(guī)范，受彎構(gòu)件在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時：

     MK:計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)組合彎距值；

     Mq;計(jì)算永久組合彎距值；

    θ:考慮荷載長期作用下對撓度增大的影響系數(shù)；

    受彎構(gòu)件撓度：

    2.4結(jié)果分析：

    該工程地下車庫坡道在沖擊荷載作用下，該工程地下車庫坡道梁的變形實(shí)測數(shù)據(jù)考慮3‰初始起拱值。根據(jù)規(guī)范要求梁的跨度大于4m，考慮3‰初始起拱值，梁的凈距為6.1m,起拱值為18.3mm，實(shí)測變形如表1所示。

表1：框架梁變形觀測結(jié)果

    注：變形觀測值考慮3‰初始起拱值。

    將沖擊荷載乘以動荷因數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示

表2：框架梁變形計(jì)算結(jié)果

    對比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：實(shí)測數(shù)據(jù)變形小于計(jì)算結(jié)果，說明結(jié)構(gòu)在受沖擊荷載后，有部分的彈性變形恢復(fù)。受拉鋼筋應(yīng)力大于鋼筋的屈服應(yīng)力，鋼筋可能已經(jīng)屈服，影響安全使用性能。

    3.結(jié)論與展望

    通過對實(shí)際工程的觀測，對比理論計(jì)算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

    1)將沖擊荷載轉(zhuǎn)化為擬靜力荷載，沒有考慮結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)，荷載對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)會被放大，但對于結(jié)構(gòu)的檢測計(jì)算方便，按計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加固，可保證結(jié)構(gòu)的安全性

    2)根據(jù)對工程實(shí)際工程的計(jì)算結(jié)果對比，在計(jì)算沖擊荷載轉(zhuǎn)化為靜力荷載檢測計(jì)算時，簡支梁模型更符合實(shí)際情況。

    3)動荷因數(shù)的選取給工程檢測人員對沖擊荷載造成的破壞檢測計(jì)算提供了一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫訓(xùn)方．材料力學(xué)Ⅱ[M]．北京；高等教育出版社，2003

[2] 梁興文．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]．北京；中國建筑工業(yè)出版社，2008

[3]國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）

[4]國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）  

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會    文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核) 

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