螺旋箍筋混凝土短柱轴向冲击性能试验研究

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现代生活中时常见到冲击现象,如港口码头坠物冲击、基坑夯实等。如何提高冲击作用下钢筋混凝土的力学性能成为研究结构动力学的关键问题。螺旋箍筋约束混凝土以其在爆炸冲击等偶然荷载作用下表现出的优秀的力学性能,引起了许多学者的关注。本人采用佛山科学技术学院新建成的超高落锤试验机对12根螺旋箍筋混凝土短柱进行轴向冲击试验,并使用hypermesh/LS-Dyna有限元软件进行建模,对更广泛的工况进行数值分析,研究了螺旋箍筋混凝土短柱在冲击荷载作用下的力学性能和承载力计算公式。主要做了如下研究工作:(1)首先利用霍普金森杆对PVDF应力传感器进行标定,然后对依据试验目的设计的24根混凝土圆柱体小试块分别进行静载抗压强度试验和落锤冲击试验,分析混凝土的冲击承载力的放大系数,为之后修正螺旋箍筋混凝土短柱的抗冲击承载力公式提供一定的依据,并评估PVDF压电薄膜传感器监测结构动态力学反应的可行性。研究发现:PVDF压电薄膜传感器可用于监测结构使用过程中的动态应力应变变化。在轴向冲击作用下,混凝土试块的冲击放大系数随应变率增大线性增大。(2)根据混凝土圆柱体试块的冲击放大系数,利用超高落锤试验机对12根短柱进行0.5m落锤高度累次轴向冲击试验并对试验进行有限元模拟,研究冲击作用下短柱配筋形式对螺旋箍筋约束混凝土轴向冲击性能的影响。(3)研究箍筋间距和箍筋直径对短柱冲击力的影响,研究发现轴向冲击作用下,当冲击条件相同时,在箍筋间距较小(40mm~60mm)的情况下,螺旋箍筋直径改变对短柱刚度、承载力和延性的影响大于箍筋间距改变对其的影响,且随着整体体积配箍率的增大,箍筋直径和箍筋间距对短柱刚度、延性和承载力的影响逐渐降低。冲击力峰值随着箍筋间距增大线性减小,随着箍筋直径增大呈线性增大。冲击力峰值随体积配箍率的增大呈抛物线增大,且二次曲线逐渐变得平缓,说明箍筋在短柱抗冲击中发挥一定作用,配箍率增大可在一定程度提高短柱抗冲击整体刚度,随着配箍率的增大,配箍率对短柱冲击力峰值的影响减弱。(4)研究箍筋间距和箍筋直径对短柱冲击作用下损伤的影响,试验发现短柱上中下箍筋和纵筋的应变随配箍率增大的变化趋势大致相同,试件的应变峰值随配箍率增大而减小。试件上部应变随配箍率增大二次曲线减小,且随配箍率变化最大。螺旋箍筋短柱破坏呈现脆性破坏,裂缝主要集中在柱顶部。配箍率和纵筋直径增大可以有效减小冲击荷载对短柱的损伤。(5)研究纵筋直径对短柱冲击性能的影响,研究发现相同冲击条件下,配筋率较小(0.55%~1.25%)时,纵筋直径的增大对峰值冲击力影响不大,随着冲击次数的增加,纵筋开始参与受力耗能,纵筋直径增大对冲击力影响变大。(6)研究冲击次数对螺旋箍筋短柱冲击性能的影响,试验发现,随着冲击次数增加,由于钢筋应变率效应较为明显,短柱的延性增加而整体刚度减小,冲击力随着冲击次数的增加其降低幅度明显减小,这表明处于不同应力阶段的箍筋对短柱冲击力的约束程度不同,短柱配箍率增大不仅会使冲击承载力迅速增大而且会使冲击响应迅速减小。(7)依据混凝土冲击放大系数和螺旋箍筋混凝土短柱冲击性能的试验研究,考虑冲击作用下箍筋的约束作用,通过规范的螺旋箍筋混凝土短柱静载承载力设计值提出了修正后的螺旋箍筋约束混凝土短柱的轴压冲击承载力公式,公式通过与实验和数值模拟结果比较证明具有一定的工程意义。
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