齊寶欣,李宜人

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

隨著土木工程領(lǐng)域中超級(jí)工程的大量施工建設(shè)，在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗沖擊、抗倒塌性能的要求越來越高。PVA增強(qiáng)纖維水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)由V.C.LI和C.K.Y.LEIMG[1]基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論提出的新型纖維水泥基復(fù)合材料，具有強(qiáng)韌性[2-3]、抗疲勞性[4-5]和抗沖擊性[6]的水泥基復(fù)合材料。因此，近些年來，PVA-ECC等水泥基復(fù)合材料得到了廣泛的工程應(yīng)用和推廣[7-8]。

F.YUAN[9]采用ATENA有限元軟件建立PVA-ECC鋼筋復(fù)合梁的四點(diǎn)受彎三維實(shí)體模型，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。WANG Qiusheng[10]研究了鋼纖維、玄武巖纖維和硫酸鈣對(duì)高摻量粉煤灰聚乙烯醇(PVA)纖維基工程水泥基復(fù)合材料(ECC)力學(xué)性能的影響,分別進(jìn)行了單軸拉伸、壓縮和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了表征。W.K.LEE等[11]研究了纖維增強(qiáng)混凝土與FRP筋配合使用，以減少梁的裂縫寬度，將改進(jìn)的Gergely-Lutz模型應(yīng)用于測(cè)量裂縫寬度，結(jié)果表明，F(xiàn)RP筋顯著降低了纖維增強(qiáng)混凝土梁的最大裂縫寬度。H.WANG等[12]試驗(yàn)研究聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土梁的受彎性能，確定了纖維加固構(gòu)件延性指標(biāo)，改善了梁的彎曲性能。馬益標(biāo)[13]研究了PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固后梁的抗彎、抗剪性能，結(jié)果表明，加固后提高了梁的抗彎、抗剪承載力、剛度和限制裂縫發(fā)展。王沖[14]研究PVA-ECC鋼絲網(wǎng)加固混凝土板、梁的抗彎性能，加固后提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。趙培智[15]研究箍筋對(duì)鋼筋增強(qiáng)ECC剪切試件的破壞模式，確定了鋼筋種類、配箍率對(duì)增強(qiáng)鋼筋ECC的抗剪性能的影響。目前，針對(duì)PVA-ECC-鋼筋水泥基復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能研究主要以靜力學(xué)為主，針對(duì)動(dòng)荷載，尤其是沖擊荷載作用下PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的動(dòng)態(tài)破壞響應(yīng)因素的研究成果較少。

基于此，筆者綜合考慮單、多次沖擊作用下PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁抗沖擊影響因素，通過數(shù)值模擬方法對(duì)比分析梁配筋參數(shù)、梁跨長度、沖擊體質(zhì)量和截面尺寸等因素對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁在多次沖擊作用下抗沖擊性能的影響。研究表明:隨著沖擊次數(shù)增加，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁跨中應(yīng)力不斷增大，且逐漸擴(kuò)散至整個(gè)跨中部位；隨著梁跨度的增加，PVA-ECC鋼筋復(fù)合梁受沖擊作用的影響越大。

1 有限元建模方法

1.1 有限元模型

筆者設(shè)計(jì)的PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁，截面形式如圖1所示。筆者采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，創(chuàng)建落錘、PVA-ECC梁、鋼筋和約束剛體的實(shí)體模型。其中，落錘、混凝土梁和約束剛體均采用3D SOLID164單元，內(nèi)部鋼筋采用3D LINK 160單元見圖2。其中，主要考慮鋼筋配筋參數(shù)，截面尺寸、梁的跨度和落錘等模型參數(shù)，試件工況見表1。

圖1 PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁示意圖Fig.1Schematic diagram of PVA-ECC-reinforced composite beam

圖2 PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁有限元模型Fig.2The finite element model of PVA-ECC- reinforced composite beam

1.2 材料本構(gòu)模型參數(shù)

PVA-ECC采用脆性損傷本構(gòu)模型，關(guān)鍵字為*MAT_BRITTLE_DAMAGE，PVA-ECC抗拉強(qiáng)度為9.17 MPa，抗壓強(qiáng)度為78.6 MPa，拉伸初裂強(qiáng)度為4.0 MPa，彈性模量為2.0×104MPa，泊松比為0.2。落錘和支座約束采用剛體材料模型，關(guān)鍵字為*MAT_RIGID，密度為7.85×10-2g/mm3，彈性模量為2.0×105N/mm2，泊松比為0.3。鋼筋采用各向同性硬化和隨動(dòng)硬化塑性模型，考慮應(yīng)變率效應(yīng)，關(guān)鍵字為*MAT_PASTIC_KINEMATIC，屈服強(qiáng)度為300 MPa，密度為7.85×10-2g/mm3，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3，切線模量為2.0×103MPa，應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)C為5，P為40，失效應(yīng)變?yōu)?.15。單元網(wǎng)格劃分尺寸分別為PVA-ECC梁采用5 mm；落錘和支座約束單元?jiǎng)澐譃?5 mm。梁與支座約束采用自動(dòng)面面接觸，接觸摩擦系數(shù)為0.3。

1.3 模型驗(yàn)證

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬PVA-ECC梁落錘沖擊荷載作用下的破壞形態(tài)，數(shù)值模型建模依據(jù)文獻(xiàn)[16-17]。模型的截面尺寸如圖3所示。落錘沖擊的位置在PVA-ECC梁跨中部位，有限元模型選取文獻(xiàn)中的落錘高度1m，落錘質(zhì)量7.34 kg的

表1 試件工況和模型參數(shù)Table 1Test conditions and model parameters

工況進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證(見圖4)。

圖3 PVA-ECC梁示意圖Fig.3Schematic diagram of PVA-ECC beam

圖4 多次沖擊下PVA-ECC梁的破壞模式Fig.4Failure mode of PVA-ECC beam under multiple impact

2 PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁抗單次沖擊的影響因素分析

2.1 梁縱向配筋

筆者研究PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的配筋參數(shù)對(duì)其在抗沖擊性能方面的影響，數(shù)值模擬中分別設(shè)置了工況S1～S5，共5組PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁，其沖擊力時(shí)程曲線如圖5所示。其中，PVA-ECC抗壓、抗拉強(qiáng)度，梁跨度，沖擊體質(zhì)量和截面尺寸均相同，縱筋和箍筋配筋參數(shù)不同(見表1)。

圖5 S組梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.5The time history curve of impact force in S-groups beams

由圖5可知，不同配筋率的PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的沖擊力時(shí)程曲線。其中，到達(dá)沖擊力峰值前，沖擊力和時(shí)間成線性關(guān)系；當(dāng)2.5 ms時(shí)，達(dá)到?jīng)_擊力峰值后的S組(S1～S5)沖擊力時(shí)程曲線略有不同(見圖6)，原因是復(fù)合梁在受沖擊后對(duì)首個(gè)沖擊波的響應(yīng)速度略緩，導(dǎo)致工況S1～S5各組復(fù)合梁沖擊力時(shí)程曲線在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)無較大差別的現(xiàn)象。

圖6 S組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.6The time history curve of mid-span displacement in S-groups beams

由圖6可知，工況S1～S3復(fù)合梁所配鋼筋僅箍筋直徑不同，它們的跨中位移時(shí)程曲線相近，復(fù)合梁箍筋配筋率對(duì)梁的跨中最大位移影響較小。由S1、S4和S5復(fù)合梁的跨中位移時(shí)程曲線看出，隨著縱筋配筋率增大，復(fù)合梁跨中位移減小；結(jié)果表明復(fù)合梁中縱筋配筋率越大，抗沖擊性能越強(qiáng)。

2.2 梁跨度

筆者研究PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的跨度對(duì)其在抗沖擊性能方面的影響，數(shù)值模擬中分別設(shè)置了工況L1～L4，共4組PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁，其沖擊力時(shí)程曲線如圖7所示。其中，梁的配筋參數(shù)，PVA-ECC抗壓、抗拉強(qiáng)度，沖擊速度和截面尺寸均相同，跨度不同(見表1)。

圖7 L組梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.7The time history curve of impact force in L-groups beams

由圖7可知，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁在沖擊荷載作用之初沖擊力和時(shí)間成線性關(guān)系，在受沖擊后的前3 ms內(nèi),各復(fù)合梁的沖擊力時(shí)程曲線趨勢(shì)基本一致；隨著復(fù)合梁跨度的增大，最大沖擊力逐漸增加；考慮各復(fù)合梁在沖擊作用之初主要受沖擊體和PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁之間的接觸剛度作用，由于沖擊體為自由落體，使得各復(fù)合梁在后續(xù)的受沖擊過程中存在沖擊體“反彈效應(yīng)”，使得沖擊力時(shí)程曲線有振蕩發(fā)生。

跨度對(duì)沖擊作用下PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的跨中位移有顯著影響(見圖8)。隨著梁跨度的增加使得跨中位移的變化更大。工況L1和工況L4相比，振幅更小、自工況振更快；表明梁跨度越小，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁越能在受到?jīng)_擊作用后出現(xiàn)更為迅速的自振響應(yīng)，也就相當(dāng)于梁跨越短抗沖擊效果越好。

圖8 L組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.8The time history curve of mid span displacement in L-groups beams

2.3 沖擊速速

筆者研究PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁在不同沖擊速度作用時(shí)的破壞狀態(tài)，數(shù)值模擬中分別設(shè)置了工況N1～N5，共5組PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁，其沖擊力時(shí)程曲線如圖9所示。截面尺寸、配筋參數(shù)、PVA-ECC抗壓抗拉強(qiáng)度和梁跨長度均相同，沖擊速度不同(見表1)。為統(tǒng)一不同速度下的沖擊體有相同沖擊能量，通過改變沖擊體自身質(zhì)量來獲得沖擊體200 kg在1 m高處自由落體產(chǎn)生的沖擊能量，以復(fù)合梁N3的沖擊能量作為標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 N組梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.9The time history curve of impact forcein N-groups beams

由圖9 可知，在工況N1(沖擊體小球質(zhì)量為15 kg、沖擊速度為16.7 m/s)下，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁沖擊力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工況；而沖擊體速度越小，復(fù)合梁的沖擊力峰值越小。

N組梁跨中位移時(shí)程曲線如圖10所示。由圖10可知，沖擊速度低于8.85 m/s時(shí)，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的跨中最大位移和殘余位移都明顯隨著沖擊速度的增加而變大，且速度越大，兩者增加得越明顯；當(dāng)沖擊速度高于11.43 m/s時(shí)，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的跨中最大位移和殘余位移隨著沖擊速度的增加而變大，且沖擊體質(zhì)量越大，梁跨中最大位移越大。因此，當(dāng)沖擊體質(zhì)量較大時(shí)更應(yīng)注意沖擊速度，避免沖擊荷載作用后的PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁發(fā)生更大變形。

圖10 N組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.10The time history curve of mid-span displacement in N-groups beams

N組梁沖擊破壞模式如圖11所示。

圖11 N組梁沖擊破壞模式Fig.11Impact failure modes of beams in N-groups

由圖11可知，在PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁沖擊能量相同時(shí)，沖擊體的質(zhì)量越大、沖擊速度越小，梁跨中受損區(qū)域越小，且跨中位置出現(xiàn)貫通的裂縫；沖擊體質(zhì)量越小、沖擊速度越大，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的跨中部位出現(xiàn)的耗能區(qū)域越大，有更多的PVA纖維參與進(jìn)耗能過程。因此，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁越能夠有效抵抗沖擊荷載。

2.4 截面尺寸

筆者研究不同截面尺寸的PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁在承受沖擊作用時(shí)的破壞狀態(tài)，數(shù)值模擬中分別設(shè)置了J組3個(gè)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁，其沖擊力時(shí)程曲線如圖12所示。截面長×寬分別為100 mm×250 mm、120 mm×250 mm、150 mm×250 mm，小球沖擊速度、配筋參數(shù)、PVA-ECC抗壓抗拉強(qiáng)度和梁跨長度均相同。

圖12 J組梁沖擊力時(shí)程曲線Fig.12The time history curve of impact force in J-groups beams

由圖12可知，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的截面尺寸在沖擊荷載的初期對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的影響不大，各PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁所承受的最大沖擊力雖然稍有不同，但在受沖擊后的前3 ms內(nèi)各PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的沖擊力時(shí)程曲線基本一致，考慮各PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁沖擊作用之初主要受沖擊體小球和PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁之間的接觸剛度作用，各PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁僅在后續(xù)的受沖擊過程中有較大的曲線走勢(shì)改變。

J組梁跨中位移時(shí)程曲線如圖13所示。由圖13可知，截面尺寸對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁沖擊作用后的跨中位移變化略有影響，跨中位移值隨著截面形狀短邊長度的增加而減少，且短邊長度越長，模型梁的振動(dòng)頻率越快，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁越能快速恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖13 J組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.13The time history curve of mid span displacement in J-groups beams

3 PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁抗多次沖擊影響因素分析

3.1 縱向配筋

由PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁抗單次沖擊影響因素的研究結(jié)果可知，箍筋配筋率對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的抗沖擊性能影響不大，而縱筋對(duì)其影響較為明顯。因此，筆者主要研究配筋參數(shù)中縱筋對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁多次沖擊荷載作用的影響。梁截面尺寸、PVA-ECC抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、梁跨長度和沖擊體質(zhì)量均相同，具體縱筋配筋參數(shù)見表1。C-S組梁跨中位移時(shí)程曲線如圖14所示。

圖14 C-S組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.14The time history curve of mid span displacement in C-S groups beams

由圖14可知，隨著PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁內(nèi)部縱筋直徑的增大，梁的跨中最大位移不斷減??；在第二次沖擊荷載作用后，工況C-S1、C-S4和C-S5的跨中位移時(shí)程曲線差別較大，但曲線走勢(shì)幾乎相同，且工況C-S1、C-S4和C-S5在二次沖擊后依然能保持振蕩，說明依然有良好的抗沖擊能力；PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁內(nèi)部縱筋直徑越大，梁的自振頻率越快；對(duì)比第二次與第一次沖擊作用后梁的位移時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)二次沖擊作用時(shí)造成的相對(duì)位移較第一次沖擊作用時(shí)的更大且第二次沖擊后梁的自振振幅比第一次沖擊作用時(shí)的大。

3.2 梁跨度

筆者研究PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁多次沖擊作用下的影響因素，其中，截面尺寸、配筋參數(shù)、PVA-ECC抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊體質(zhì)量均相同，復(fù)合梁跨度不同(見表1)。C-L組梁跨中位移時(shí)程曲線如圖15所示。

圖15 C-L組梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.15The time history curve of midspan displacement in C-L groups beams

由圖15可知，在PVA-ECC鋼筋復(fù)合梁受到第二次沖擊作用后，工況C-L2、C-L3和C-L4的位移時(shí)程曲線雖曲線趨勢(shì)大致相同，但位移卻有不同。隨著梁跨度的增大，梁跨中最大位移越大；對(duì)比第二次與第一次沖擊作用后梁的位移時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)二次沖擊作用時(shí)造成的相對(duì)位移較第一次沖擊作用時(shí)的更大，但在二次沖擊作用后依然能具備良好的抗沖擊能力；同時(shí)工況C-S組具有第二次沖擊后梁的自振振幅較第一次更大的特點(diǎn)。

3.3 沖擊體質(zhì)量

筆者針對(duì)沖擊體質(zhì)量分別為30 kg、50 kg 和100 kg時(shí)，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁多次沖擊作用下的模擬分析，截面尺寸、配筋參數(shù)、PVA-ECC抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和梁跨長度均相同，具體參數(shù)見表1。C-N組各梁跨中位移時(shí)程曲線如圖16所示。

圖16 C-N組各梁跨中位移時(shí)程曲線Fig.16The time history curve of mid span displacement in C-N groups beams

由圖16可知，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的工況N4在第二次沖擊作用后失效發(fā)生斷裂破壞，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的工況N2和工況N3在第二次沖擊作用后依然能夠有良好的抗沖擊能力，梁的跨中最大位移隨著沖擊體質(zhì)量的增加而變大，與C-S組和C-L組同樣具有第二次沖擊后梁的自振振幅較第一次更大且相對(duì)位移也更大的特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁沖擊作用下，配筋因素導(dǎo)致的影響在最開始時(shí)不明顯，在后續(xù)的沖擊過程中影響明顯，且梁中縱筋配筋率越高，梁跨中部位移就越小，說明縱筋配筋參數(shù)變化對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁受沖擊后的撓度變化有很大影響，梁中箍筋配筋率對(duì)PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁受沖擊作用時(shí)的影響很小。

(2)梁跨長度的不同對(duì)PVA-ECC鋼筋復(fù)合梁受沖擊作用后的起初僅有較小的影響，當(dāng)梁跨度為1.9 m時(shí)，受沖擊作用后的中后期有顯著的振蕩作用效果，且梁跨中部位移最大。

(3)在沖擊能量相同情況下，沖擊體速度越大，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁的局部受破壞越明顯，梁跨中部位出現(xiàn)的耗能區(qū)域越大，就有更多的PVA纖維參與耗能過程。

(4)隨著沖擊次數(shù)的增加，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁跨中應(yīng)力不斷增大；隨沖擊次數(shù)增加而逐漸擴(kuò)散至整個(gè)跨中部位，由于PVA纖維的耗能能力和橋接作用，PVA-ECC-鋼筋復(fù)合梁在受沖擊后可通過發(fā)展多條細(xì)密小裂縫來耗散能量，可抵抗多次沖擊，從而提升結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性。