堤防岸坡RC板件的抗冲击性能研究

夏修迪

（济宁市水利事业发展中心，山东 济宁 272000）

0 引言

在外力冲击下，堤防岸坡钢筋混凝土板（RC板）极易受到严重损害，造成严重后果。尤其是堤防岸坡防护工程外墙、顶板经常受到多角度的冲击作用，给其结构安全带来严重损伤[1-3]。对冲击RC 板件损伤程度进行评估，并制定相应的应对措施及修补办法，是确保钢筋混凝土建筑结构安全的重要手段。所以，探讨冲击作用下钢筋混凝土板损伤程度及其抗冲击性具有重要的现实意义[4]。

对于钢筋混凝土板抗冲击能力，许多学者展开研究，钱凯、谭新宇[5]等学者研究了板厚与配筋对RC 板抗冲击性能的影响；寇佳亮、王华丞[6]以落锤冲击试验研究了高延性混凝土板的抗冲击性能；王坤[7]以落锤冲击试验研究了泡沫夹芯钢筋混凝土板的抗冲击性能；董振辉[8]利用落锤试验分析了不同配筋、板厚、板底加钢丝网等混凝土板的抗冲击性能。上述研究主要从混凝土板材料方面进行研究，研究方法是落锤试验，研究分析了单纯垂直冲击与多次重冲击下混凝土板的损伤问题，但在真实环境中，混凝土板受到的冲击模式多种多样，很难通过模拟冲击和多次恒冲击试验对其进行描述[9]。而增幅冲击试验则能弥补上述不足，且易操作，能够有效分析混凝土板的抗冲击性能。鉴于此，此次研究选择4 组冲击角度下的钢筋混凝土板进行落锤冲击试验，分析其冲击力时程、变形程度、吸能分析等，探讨其抗冲击性能。

1 试验材料

1.1 试件制备

按照设计标准制作3块钢筋混凝土板，混凝土级配由硅酸盐水泥（42.5）和级配碎石、天然河砂制配而成，水泥、骨料、砂、水的配比为1∶1.92∶1.2∶0.4。混凝土的标准立方体抗压强度（28 d）为65 MPa，钢筋混凝土板的底部设置钢筋网（HRB 335 型钢筋），混凝土表面与钢筋外表面距离为2 cm。

将RC 板以螺栓锚固方式安装在钢梁组合框架上，钢梁以螺栓为界将每块RC 板分成3 块区域，螺栓为高强螺栓M20（8 级），最小抗拉力为188.39 kN，能够有效抵抗多次冲击导致的板件移动。浇筑板件前，模具端部以PVC 管预留螺栓孔，螺栓孔共6排，每排有8个螺栓孔。浇筑养护28 d，吊机将板件吊装在框架结构相应位置并装配。

1.2 试验设备

该研究的试验方法采用摆锤冲击和落锤冲击，冲击系统分别由锤头、钢架和刚性地面基座构成，锤头重122.5 kg，钢架高7 m。摆锤冲击中利用龙门吊把锤头升到预定的冲击高度，而后释放锤头。落锤冲击中通过钢架两侧导轨对重锤两侧滑轮运动轨迹进行限制，先进行预试验，确保每次冲击的锤头撞击点不改变，垂直和斜向冲击试验要在板件表面跨中位置设置固定承台，以防摆锤冲击使板件冲击作用点受到冲击装置运行与板件破损等的影响，试验装置见图1。按照预先数值对冲击试验结果进行模拟，结果显示，当承台边长是10 cm 时，混凝土板的损伤分布与应力分布未受边界环境影响。所以，将承台边长设成10 cm。锤头属高强度钢材，锤头端装有轮辐式传感器，以记录冲击力的数值。

图1 RC 板摆锤冲击和落锤冲击试验

1.3 试验方法

RC 板在低速冲击下会同时出现整体变形与局部变形。试验时，于RC 板边缘及冲击点周围安装应变片，每个测点均设置有正交布置的两个应变片。将多个位移计沿板件的对称线进行布置，以对板件的底部位移进行监测。

冲击总能量相同条件下，冲击方案不同给RC板造成的累积损伤也不同。为此，在试验中，先垂直冲击1 号RC 板，而后斜向冲击，竖向冲击、斜向冲击的加载量都相同，且以板件中心为冲击固定点。恒重冲击中，混凝土累积损伤会随冲击次数的不断增加而渐渐稳定，冲击能被混凝土损伤开裂吸收[10]。为进一步加深每次冲击后的混凝土损伤，研究初始损伤中RC 板的残余抗冲击性能，通过逐次递增冲击能量的方法进行加载，预冲击时为1 s～5 h，能够压实混凝土内部的孔隙及微裂纹，防止因RC板的制作方式而影响试验。单次冲击后要等到板件完全静止方可加载下一级，冲击次数要达到完全破坏RC 板，也就是RC 板的冲击区表面存在大块混凝土脱落和钢筋裸露。

2 试验分析

RC 板件冲击试验结果见表1，表1 中分别描述了冲击速度、试件跨中位移（试件表面变形），并通过动能定量计算出冲击能量。

表1 1 号板件垂直冲击试验数据

2.1 钢筋混凝土板面的变形及破坏情况

由表1 发现，冲击次数越多，试件跨中位移越大，即试件下表面的变形越大。多次冲击中，RC板件发生严重弯曲、凹陷变形，垂直冲击下整体凹陷及弯曲变形均较斜向冲击板件的变形程度大，但斜向冲击板件损伤区域比较大，裂缝穿过螺栓且传递到没有受到直接冲击的板件。冲击角度不同，冲击力带来的板件凹陷变形主要发生在受冲击处。增加冲击次数，RC 板件整体凹陷及弯曲变形程度随之增大，板件裂纹发展加剧。

RC 板件裂纹由加载点向边缘径向发展，这表明斜向冲击、竖向冲击都能引发RC 板件弯曲响应，与屈服线理论特征较为吻合[11]。试件薄弱区如孔洞等处集中出现裂纹，增加冲击次数，试件的破坏程度也随之加剧，裂缝则由边缘向试件中部扩展，直至形成贯通开裂。斜向冲击下，提高冲击速度会增加板抗冲击荷载，而RC 板件的破坏方式也随之改变，倾向于整体性的破坏。冲击18 次时，斜向冲击下的板件出现小块的混凝土脱落，框架严重出现横向摆动，遂终止试验。

在斜向冲击及竖向冲击下，RC 板件变形存在如下特征：冲击能量相等，斜向冲击中部分能量会横向传递，板件局部变形比较小，但斜向冲击造成应力波向板件右部混凝土传递，且在中跨板件上形成与能量传递方向相垂直的横向裂缝，这表明斜向冲击造成的破坏范围最大，无法通过增加螺栓和减小跨度进行预防。竖向冲击下，板件表现出环形冲击去屈服线裂缝，且最终产生冲切破坏。但斜向冲击板件则呈现冲击力传递路径的横向与径向交叉裂缝，由于混凝土较大的横向位移及碎裂使其退出工作状态。

从冲击角度看，冲击角度越小，RC 板件的跨中位移也就越小，这是因为冲击角度变小，使更多的冲击能量向RC 板件平面方向传递。若跨中位移越大，RC 板件的损伤也就越大。但因该试验的横向约束比较大，横向冲击分力带来的RC 板损伤未在竖向位移变化上体现出来。

2.2 冲击力的时程变化规律

冲击作用下，预加荷载钢筋混凝土板的动力响应表明[12，13]，冲击力时程曲线与配筋率的相关性较小，且具普遍性特征。在低速竖向冲击下，混凝土板的冲击力时程变化通常分成两个阶段，即板锤向下的运动阶段与板锤向上运动的阶段。板锤接触板件后，其冲击力会在短时间内达到峰值，板件向下加速变形，直到与板锤的速度相等，接触力达到0，此过程对板件传递冲击能量的效率进行了反应，即板件脆性越高，此过程就越短。板锤向上运动阶段的时程变化显示，减小板锤速度，且其速度是0 并向下达到最大位移，冲击力达至第2 个峰值，板、锤随即反弹，直到分离，此过程反映了RC板件对冲击能量的吸收能力。通常来说，板件对冲击能量的吸收效率会随着能量吸收的累计而下降。RC 板吸收能量的过程越长，板件和锤头之间转移的能量也就越多；RC 板件的能量耗散率越低，其吸能过程就越长。

在冲击力试验中，RC 板件碰撞持续时间均是4 ms，这表明，内置钢筋的RC 板件能够更好地传递冲击能量。波段时长由5 ms 提高到15 ms，RC板件初始损伤对板件吸能能力产生巨大影响。参照文献资料[12]及试验结果得出，冲击力峰值与速度间是非线性关系，增加冲击次数，RC 板件损伤会增大，冲击力越小，其吸能能力就越低。

当第1 波段无明显下降段，或第2 波段无法区分时，可以利用冲击时间判断板件传递冲击能量的能力。试验采用斜向冲击和垂直冲击两种方式，板锤接触面上的混凝土碎裂较少，冲击力时程变化曲线初始阶段无常见波动段，为冲击力峰值的确定提供了条件。在第15 次至18 次冲击时，RC 板件冲击面遭到破坏，此时力的时程变化曲线有轻度波动，与文献［13］结果较为吻合，这证明垂直冲击试验的设计较为合理。

在斜向冲击试验中，板、锤运动及变化规律类似垂直冲击，波动更大。由于斜向冲击中，板、锤向两个方向运动，且板、锤作用在板件的时长较落锤时的作用时长多10 倍，冲击能量沿着平面传递耗时更长，板、锤接触的时间越长，其吸能效率就会越小。试件破坏阶段，由于斜向冲击中锤头撞击了钢制承台，避免了冲击测量受混凝土碎裂的影响，使斜向冲击峰值的荷载较竖向冲击大，这也验证了第12 次冲击中混凝土出现了碎裂，对冲击力失去抵抗。可见，在RC 板件冲击试验中，斜向冲击带来的影响会更复杂。

2.3 RC 板件的吸能变化

冲击试验中，RC 板件冲击延性指数都是3，说明试验中的RC 板件初始吸能能力比较一致。冲击能量是通过混凝土开裂和钢筋屈服方式被耗散和吸收，高强螺栓的落锤反弹损失和吸能损失都较小。落锤冲击中，RC 板件会弯曲变形，明显出现整体响应[13]。多次冲击后，RC 板件局部出现变形，并吸收大量能力。在冲击过程中，RC 板件最大位移同冲击总能量呈正相关，残余位移和吸收总能量呈正相关。所以，RC 板件的冲击能量吸收率与残余位移/位移最大值相关。

2.4 RC 板件损伤后的抗冲击性

冲击试验表明，每次冲击中，RC 板件损伤都会影响其抗冲切承载力。同一RC 板件，无论冲击次数多少，低速冲击的RC 板件破坏后吸收的总能量均较为相近。RC 板件吸收能与损伤间存在相关性，增加冲击次数会加速RC 板件损伤，RC 板件的破坏程度可以通过残余位移同最后一次残余位移的比值进行衡量，但此比值不同于混凝土的损伤率。增加冲击力，RC 板件破坏率也呈指数级上升，增势较为稳定。增加冲击次数，对应冲击速度及冲击力随之增大，累积损伤的不断增多，其破坏性也逐渐严重。可见，如果RC 板件的破坏程度较大，并对其进行小能量冲击，板件变形对现有损伤分布比较依赖，结果就是缺乏规律性。所以，能量递增式多次冲击法更利于研究RC板件的冲击性能。

3 结语

通过冲击试验发现，增加冲击能量后RC 板件更易出现局部凹陷变形，产生冲切破坏。斜向冲击产生的RC板件局部变形小于竖向冲击导致的变形，但其造成的板件损害面积非常大，产生的冲击相应也比较复杂，更无法预测RC 板件冲击下的破坏模式。增加冲击能力，RC 板件的吸收总能量也增加，吸能能力却降低。而低速冲击下，相同RC板件破坏后的吸收能力也相似。此研究对评估RC板损伤承担及预测RC板寿命等具有一定意义。