冲击作用下钢筋混凝土箱梁的斜截面剪切破坏特征

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车辆落物导致钢筋混凝土箱梁桥破坏的事故实例表明,冲击荷载作用下钢筋混凝土箱梁破坏特征不同于一般的静动载作用,作用位置附近顶板和腹板均呈现明显的剪切破坏。滚石、落物等冲击作用为桥梁结构的偶然作用,一旦发生将对桥梁结构安全造成非常大的危害,迫切需要在桥梁结构设计理论中系统考虑这类冲击作用荷载的影响。所以,开展冲击作用下钢筋混凝土箱梁斜截面破坏特征和破坏机理研究,对于进一步研究冲击作用下的结构安全性评估和抗冲击能力提升具有非常现实的理论意义和工程价值。本文从某相关事故分析出发,开展了冲击荷载作用下钢筋混凝土箱梁破坏形态和冲击效应传导分析,定性地分析了钢筋混凝土梁的斜截面剪切破坏机理。主要研究内容和成果如下:(1)结合某行车落物(钢卷)冲击箱梁的相关事故分析,研究冲击作用下钢筋混凝土箱梁的破坏特征和冲击力效应传导规律。利用LS-DYNA有限元软件,开展了冲击荷载作用于箱梁不同位置时的损伤模拟,并结合事故情况,研究了其冲击力作用效应的逐时传递规律和破坏形态。结果表明,落物冲击箱梁产生的动力响应和破坏形态呈现出明显的剪切破坏特征和局部化特征,顶板以出现作用位置附近的局部直剪裂缝为主,而腹板则以作用位置附近的八字形斜截面剪切裂缝为主;冲击作用效应由顶板作用位置向腹板和底板依次传递。(2)针对箱梁腹板的斜截面剪切破坏问题,开展了不同冲击速度、冲击能量下8片钢筋混凝土梁的落锤试验研究。分析构件受冲击后斜截面破坏形态和特征,分析沿梁长各点加速度(惯性力)发展情况。结果表明,冲击作用下钢筋混凝土梁动力响应可按开始出现支座反力为界,分为冲击作用初期和后期;作用初期,冲击力和惯性力形成内外力平衡,被激活梁段不断发展,惯性力沿梁长分布由初始的W形变化为倒梯形,是产生主要破坏的阶段;常规行车落物(4-6m/s)作用下,以弯剪破坏为主,且随冲击速度增加局部化效应加剧,斜裂缝越接近于跨中位置。(3)基于数值模拟和模型试验结果,开展冲击作用下钢筋混凝土单梁斜截面剪切破坏机理的定性研究。利用LS-DYNA软件开展钢筋混凝土矩形截面梁的数值模拟,对比验证了冲击作用下的斜截面破坏特征,研究了梁内弯矩和剪力的动态分布。结果表明:由冲锤试验得到的冲击作用下梁破坏过程规律是成立的,冲击作用初期梁内惯性力和冲击力形成动态平衡,可以得到作用位置附近区域同时出现最大弯矩和剪力,导致梁在主拉应力作用下产生斜截面剪切破坏。
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