堤防岸坡RC板件的抗沖擊性能研究

夏修迪

（濟寧市水利事業發展中心，山東 濟寧 272000）

0 引言

在外力沖擊下，堤防岸坡鋼筋混凝土板（RC板）極易受到嚴重損害，造成嚴重后果。尤其是堤防岸坡防護工程外墻、頂板經常受到多角度的沖擊作用，給其結構安全帶來嚴重損傷[1-3]。對沖擊RC 板件損傷程度進行評估，并制定相應的應對措施及修補辦法，是確保鋼筋混凝土建筑結構安全的重要手段。所以，探討沖擊作用下鋼筋混凝土板損傷程度及其抗沖擊性具有重要的現實意義[4]。

對于鋼筋混凝土板抗沖擊能力，許多學者展開研究，錢凱、譚新宇[5]等學者研究了板厚與配筋對RC 板抗沖擊性能的影響；寇佳亮、王華丞[6]以落錘沖擊試驗研究了高延性混凝土板的抗沖擊性能；王坤[7]以落錘沖擊試驗研究了泡沫夾芯鋼筋混凝土板的抗沖擊性能；董振輝[8]利用落錘試驗分析了不同配筋、板厚、板底加鋼絲網等混凝土板的抗沖擊性能。上述研究主要從混凝土板材料方面進行研究，研究方法是落錘試驗，研究分析了單純垂直沖擊與多次重沖擊下混凝土板的損傷問題，但在真實環境中，混凝土板受到的沖擊模式多種多樣，很難通過模擬沖擊和多次恒沖擊試驗對其進行描述[9]。而增幅沖擊試驗則能彌補上述不足，且易操作，能夠有效分析混凝土板的抗沖擊性能。鑒于此，此次研究選擇4 組沖擊角度下的鋼筋混凝土板進行落錘沖擊試驗，分析其沖擊力時程、變形程度、吸能分析等，探討其抗沖擊性能。

1 試驗材料

1.1 試件制備

按照設計標準制作3塊鋼筋混凝土板，混凝土級配由硅酸鹽水泥（42.5）和級配碎石、天然河砂制配而成，水泥、骨料、砂、水的配比為1∶1.92∶1.2∶0.4?；炷恋臉藴柿⒎襟w抗壓強度（28 d）為65 MPa，鋼筋混凝土板的底部設置鋼筋網（HRB 335 型鋼筋），混凝土表面與鋼筋外表面距離為2 cm。

將RC 板以螺栓錨固方式安裝在鋼梁組合框架上，鋼梁以螺栓為界將每塊RC 板分成3 塊區域，螺栓為高強螺栓M20（8 級），最小抗拉力為188.39 kN，能夠有效抵抗多次沖擊導致的板件移動。澆筑板件前，模具端部以PVC 管預留螺栓孔，螺栓孔共6排，每排有8個螺栓孔。澆筑養護28 d，吊機將板件吊裝在框架結構相應位置并裝配。

1.2 試驗設備

該研究的試驗方法采用擺錘沖擊和落錘沖擊，沖擊系統分別由錘頭、鋼架和剛性地面基座構成，錘頭重122.5 kg，鋼架高7 m。擺錘沖擊中利用龍門吊把錘頭升到預定的沖擊高度，而后釋放錘頭。落錘沖擊中通過鋼架兩側導軌對重錘兩側滑輪運動軌跡進行限制，先進行預試驗，確保每次沖擊的錘頭撞擊點不改變，垂直和斜向沖擊試驗要在板件表面跨中位置設置固定承臺，以防擺錘沖擊使板件沖擊作用點受到沖擊裝置運行與板件破損等的影響，試驗裝置見圖1。按照預先數值對沖擊試驗結果進行模擬，結果顯示，當承臺邊長是10 cm 時，混凝土板的損傷分布與應力分布未受邊界環境影響。所以，將承臺邊長設成10 cm。錘頭屬高強度鋼材，錘頭端裝有輪輻式傳感器，以記錄沖擊力的數值。

圖1 RC 板擺錘沖擊和落錘沖擊試驗

1.3 試驗方法

RC 板在低速沖擊下會同時出現整體變形與局部變形。試驗時，于RC 板邊緣及沖擊點周圍安裝應變片，每個測點均設置有正交布置的兩個應變片。將多個位移計沿板件的對稱線進行布置，以對板件的底部位移進行監測。

沖擊總能量相同條件下，沖擊方案不同給RC板造成的累積損傷也不同。為此，在試驗中，先垂直沖擊1 號RC 板，而后斜向沖擊，豎向沖擊、斜向沖擊的加載量都相同，且以板件中心為沖擊固定點。恒重沖擊中，混凝土累積損傷會隨沖擊次數的不斷增加而漸漸穩定，沖擊能被混凝土損傷開裂吸收[10]。為進一步加深每次沖擊后的混凝土損傷，研究初始損傷中RC 板的殘余抗沖擊性能，通過逐次遞增沖擊能量的方法進行加載，預沖擊時為1 s～5 h，能夠壓實混凝土內部的孔隙及微裂紋，防止因RC板的制作方式而影響試驗。單次沖擊后要等到板件完全靜止方可加載下一級，沖擊次數要達到完全破壞RC 板，也就是RC 板的沖擊區表面存在大塊混凝土脫落和鋼筋裸露。

2 試驗分析

RC 板件沖擊試驗結果見表1，表1 中分別描述了沖擊速度、試件跨中位移（試件表面變形），并通過動能定量計算出沖擊能量。

表1 1 號板件垂直沖擊試驗數據

2.1 鋼筋混凝土板面的變形及破壞情況

由表1 發現，沖擊次數越多，試件跨中位移越大，即試件下表面的變形越大。多次沖擊中，RC板件發生嚴重彎曲、凹陷變形，垂直沖擊下整體凹陷及彎曲變形均較斜向沖擊板件的變形程度大，但斜向沖擊板件損傷區域比較大，裂縫穿過螺栓且傳遞到沒有受到直接沖擊的板件。沖擊角度不同，沖擊力帶來的板件凹陷變形主要發生在受沖擊處。增加沖擊次數，RC 板件整體凹陷及彎曲變形程度隨之增大，板件裂紋發展加劇。

RC 板件裂紋由加載點向邊緣徑向發展，這表明斜向沖擊、豎向沖擊都能引發RC 板件彎曲響應，與屈服線理論特征較為吻合[11]。試件薄弱區如孔洞等處集中出現裂紋，增加沖擊次數，試件的破壞程度也隨之加劇，裂縫則由邊緣向試件中部擴展，直至形成貫通開裂。斜向沖擊下，提高沖擊速度會增加板抗沖擊荷載，而RC 板件的破壞方式也隨之改變，傾向于整體性的破壞。沖擊18 次時，斜向沖擊下的板件出現小塊的混凝土脫落，框架嚴重出現橫向擺動，遂終止試驗。

在斜向沖擊及豎向沖擊下，RC 板件變形存在如下特征：沖擊能量相等，斜向沖擊中部分能量會橫向傳遞，板件局部變形比較小，但斜向沖擊造成應力波向板件右部混凝土傳遞，且在中跨板件上形成與能量傳遞方向相垂直的橫向裂縫，這表明斜向沖擊造成的破壞范圍最大，無法通過增加螺栓和減小跨度進行預防。豎向沖擊下，板件表現出環形沖擊去屈服線裂縫，且最終產生沖切破壞。但斜向沖擊板件則呈現沖擊力傳遞路徑的橫向與徑向交叉裂縫，由于混凝土較大的橫向位移及碎裂使其退出工作狀態。

從沖擊角度看，沖擊角度越小，RC 板件的跨中位移也就越小，這是因為沖擊角度變小，使更多的沖擊能量向RC 板件平面方向傳遞。若跨中位移越大，RC 板件的損傷也就越大。但因該試驗的橫向約束比較大，橫向沖擊分力帶來的RC 板損傷未在豎向位移變化上體現出來。

2.2 沖擊力的時程變化規律

沖擊作用下，預加荷載鋼筋混凝土板的動力響應表明[12，13]，沖擊力時程曲線與配筋率的相關性較小，且具普遍性特征。在低速豎向沖擊下，混凝土板的沖擊力時程變化通常分成兩個階段，即板錘向下的運動階段與板錘向上運動的階段。板錘接觸板件后，其沖擊力會在短時間內達到峰值，板件向下加速變形，直到與板錘的速度相等，接觸力達到0，此過程對板件傳遞沖擊能量的效率進行了反應，即板件脆性越高，此過程就越短。板錘向上運動階段的時程變化顯示，減小板錘速度，且其速度是0 并向下達到最大位移，沖擊力達至第2 個峰值，板、錘隨即反彈，直到分離，此過程反映了RC板件對沖擊能量的吸收能力。通常來說，板件對沖擊能量的吸收效率會隨著能量吸收的累計而下降。RC 板吸收能量的過程越長，板件和錘頭之間轉移的能量也就越多；RC 板件的能量耗散率越低，其吸能過程就越長。

在沖擊力試驗中，RC 板件碰撞持續時間均是4 ms，這表明，內置鋼筋的RC 板件能夠更好地傳遞沖擊能量。波段時長由5 ms 提高到15 ms，RC板件初始損傷對板件吸能能力產生巨大影響。參照文獻資料[12]及試驗結果得出，沖擊力峰值與速度間是非線性關系，增加沖擊次數，RC 板件損傷會增大，沖擊力越小，其吸能能力就越低。

當第1 波段無明顯下降段，或第2 波段無法區分時，可以利用沖擊時間判斷板件傳遞沖擊能量的能力。試驗采用斜向沖擊和垂直沖擊兩種方式，板錘接觸面上的混凝土碎裂較少，沖擊力時程變化曲線初始階段無常見波動段，為沖擊力峰值的確定提供了條件。在第15 次至18 次沖擊時，RC 板件沖擊面遭到破壞，此時力的時程變化曲線有輕度波動，與文獻［13］結果較為吻合，這證明垂直沖擊試驗的設計較為合理。

在斜向沖擊試驗中，板、錘運動及變化規律類似垂直沖擊，波動更大。由于斜向沖擊中，板、錘向兩個方向運動，且板、錘作用在板件的時長較落錘時的作用時長多10 倍，沖擊能量沿著平面傳遞耗時更長，板、錘接觸的時間越長，其吸能效率就會越小。試件破壞階段，由于斜向沖擊中錘頭撞擊了鋼制承臺，避免了沖擊測量受混凝土碎裂的影響，使斜向沖擊峰值的荷載較豎向沖擊大，這也驗證了第12 次沖擊中混凝土出現了碎裂，對沖擊力失去抵抗?？梢?，在RC 板件沖擊試驗中，斜向沖擊帶來的影響會更復雜。

2.3 RC 板件的吸能變化

沖擊試驗中，RC 板件沖擊延性指數都是3，說明試驗中的RC 板件初始吸能能力比較一致。沖擊能量是通過混凝土開裂和鋼筋屈服方式被耗散和吸收，高強螺栓的落錘反彈損失和吸能損失都較小。落錘沖擊中，RC 板件會彎曲變形，明顯出現整體響應[13]。多次沖擊后，RC 板件局部出現變形，并吸收大量能力。在沖擊過程中，RC 板件最大位移同沖擊總能量呈正相關，殘余位移和吸收總能量呈正相關。所以，RC 板件的沖擊能量吸收率與殘余位移/位移最大值相關。

2.4 RC 板件損傷后的抗沖擊性

沖擊試驗表明，每次沖擊中，RC 板件損傷都會影響其抗沖切承載力。同一RC 板件，無論沖擊次數多少，低速沖擊的RC 板件破壞后吸收的總能量均較為相近。RC 板件吸收能與損傷間存在相關性，增加沖擊次數會加速RC 板件損傷，RC 板件的破壞程度可以通過殘余位移同最后一次殘余位移的比值進行衡量，但此比值不同于混凝土的損傷率。增加沖擊力，RC 板件破壞率也呈指數級上升，增勢較為穩定。增加沖擊次數，對應沖擊速度及沖擊力隨之增大，累積損傷的不斷增多，其破壞性也逐漸嚴重?？梢?，如果RC 板件的破壞程度較大，并對其進行小能量沖擊，板件變形對現有損傷分布比較依賴，結果就是缺乏規律性。所以，能量遞增式多次沖擊法更利于研究RC板件的沖擊性能。

3 結語

通過沖擊試驗發現，增加沖擊能量后RC 板件更易出現局部凹陷變形，產生沖切破壞。斜向沖擊產生的RC板件局部變形小于豎向沖擊導致的變形，但其造成的板件損害面積非常大，產生的沖擊相應也比較復雜，更無法預測RC 板件沖擊下的破壞模式。增加沖擊能力，RC 板件的吸收總能量也增加，吸能能力卻降低。而低速沖擊下，相同RC板件破壞后的吸收能力也相似。此研究對評估RC板損傷承擔及預測RC板壽命等具有一定意義。