摘要： 隨著結(jié)構(gòu)配置和沖擊能量等主要影響因素的變化，鋼筋混凝土梁的沖擊動力響應和破壞模式會發(fā)生轉(zhuǎn)化。開展不同配置的鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗，綜合測量獲得沖擊力、支座反力、鋼筋與混凝土應變、沖擊局部與結(jié)構(gòu)整體變形等參數(shù)，重點分析不同混凝土強度、不同縱筋/箍筋配置以及不同沖擊速度對鋼筋混凝土梁的動力響應以及破壞模式的影響規(guī)律。試驗表明：低速撞擊下鋼筋混凝土梁的位移峰值、殘余位移隨沖擊速度的提高而增大，均與沖擊動能與極限靜承載力之比存在近似線性關(guān)系；混凝土強度越高、縱筋配筋率越高，相同沖擊條件下梁所受的撞擊力峰值越大，但整體位移響應越??；配箍率的變化對結(jié)構(gòu)的局部響應和整體響應的影響均較??；結(jié)構(gòu)受到撞擊時剪切效應在前，彎曲效應在后，斜裂縫先于垂直裂縫出現(xiàn)；依據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞極限狀態(tài)，判斷梁在沖擊作用下存在的彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞和沖切破壞等4 種破壞模式，結(jié)果表明：相同結(jié)構(gòu)配置條件下，隨沖擊速度的不斷提高，鋼筋混凝土梁由彎曲破壞向彎剪破壞、剪切破壞和沖切破壞轉(zhuǎn)化；沖擊速度相同時，提高混凝土強度、配箍率或降低縱向鋼筋配筋率，梁的破壞模式逐步由沖切、剪切破壞向彎曲破壞模式轉(zhuǎn)化。結(jié)構(gòu)的沖擊破壞模式及其轉(zhuǎn)化規(guī)律能夠為結(jié)構(gòu)的抗撞設(shè)計與防護提供參考。

關(guān)鍵詞： 鋼筋混凝土梁；落錘試驗；動力響應；破壞模式；沖切破壞

中圖分類號： O383 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

建筑物在服役期間可能遭受到?jīng)_擊荷載作用 （諸如汽車撞擊護欄、船舶撞擊橋墩、高空重物墜落等事故型沖擊荷載，以及燃氣爆炸、恐怖襲擊等造成爆炸飛射物的沖擊荷載）。因此，亟需合理的結(jié)構(gòu)抗沖擊荷載設(shè)計和評估方法。鋼筋混凝土梁作為常見的承重結(jié)構(gòu)，研究分析其在沖擊荷載作用下的動力響應和破壞模式對結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計與毀傷評估具有重要意義。沖擊荷載的特點是在非常短的時間內(nèi)接觸點的速度急劇變化和強動載作用[1]，使得梁的沖擊動力響應及破壞機理顯著區(qū)別于靜載下的。國內(nèi)外學者們針對鋼筋混凝土梁在低速沖擊下的動力響應特點進行了大量研究。Hughes 等[2] 對92 根鋼筋混凝土梁進行了沖擊試驗，研究了沖擊速度、沖擊質(zhì)量和接觸剛度對構(gòu)件動態(tài)響應的影響，并指出等效靜力設(shè)計方法由于不能反映高階振型的貢獻，因此不適用于構(gòu)件的抗撞設(shè)計。Kishi 等[3] 采用落錘沖擊試驗研究了無腹筋鋼筋混凝土梁在沖擊荷載下的動態(tài)響應和耗能能力，并指出支座反力比碰撞力更能反映構(gòu)件內(nèi)力和抗沖擊能力。曾翔等[4]、許斌等[5] 對無腹筋梁、 鋼筋混凝土梁進行了落錘試驗研究，給出了考慮慣性力作用時沖擊荷載作用下簡支梁的彎矩和剪力分布，并研究了沖擊力與沖擊速度 、沖擊能的關(guān)系 ?；綮o思等[6] 通過鋼筋混凝土梁落錘試驗，發(fā)現(xiàn)在沖擊過程中，沖擊力在很短的時間內(nèi)達到峰值，并在沖擊位置產(chǎn)生斜裂縫；當應力波傳播到支座時，進入整體響應階段，跨中位移發(fā)展，產(chǎn)生垂直裂縫。Cotsovos 等[7-8] 基于試驗觀察以及數(shù)值模擬結(jié)果提出了“有效長度”的概念，解釋了沖擊作用下承載力提高的原因，并提出了計算梁的沖擊承載能力的簡化計算方法。數(shù)值模擬方面，劉飛等[9] 基于數(shù)值模擬從損傷發(fā)展和沖擊能量轉(zhuǎn)化方面分析了鋼筋混凝土構(gòu)件的沖擊響應過程和破壞機理，趙武超等[10-11] 數(shù)值模擬研究了沖擊荷載下鋼筋混凝土梁局部響應特征以及對梁的沖擊損傷進行評估，王銀輝等 [12] 基于數(shù)值模擬研究了沖擊初期梁中的慣性力分布，Pham 等[13] 基于數(shù)值模擬研究了邊界條件對沖擊動力響應的影響，Li 等[14] 則對落錘形狀及墊片材料、厚度的影響規(guī)律進行了研究。王明洋等[15] 以彎曲理論為基礎(chǔ)，總結(jié)和分析了鋼筋混凝土梁在低速沖擊下的局部與整體變形和破壞特征，分別建立鋼筋混凝土梁的準彈性階段和塑性階段的簡化計算模型。

在不同的撞擊條件下，鋼筋混凝土梁呈現(xiàn)不同的破壞模式。Ohnuma 等[16] 進行了鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗，研究發(fā)現(xiàn)不同的沖擊速度會導致不同的破壞模式，低速沖擊下發(fā)生彎曲破壞，而在較高速度沖擊下卻發(fā)生剪切破壞。Fu 等[17] 研究了沖擊荷載作用下無箍鋼筋混凝土梁的破壞行為，利用高速攝影和數(shù)字圖像相關(guān)（ digital image correlation， DIC）設(shè)備可視化了裂縫的開展模式。Sukontasukkul 等[18] 研究了素混凝土和纖維增強混凝土 （fiber reinforced concrete， FRC） 短梁的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)端部約束在梁的抗沖擊性能中起重要作用，端部約束力會影響鋼筋混凝土梁的破壞模式，端部約束加強，彎曲破壞會轉(zhuǎn)化為剪切破壞。Kishi 等[19] 通過改變配筋率和剪跨比，共進行了27 次落錘沖擊試驗，通過裂紋模式的觀察得到，RC 梁在低速沖擊載荷下可能會以彎曲破壞模式破壞，但在高速沖擊載荷下可能會在剪切破壞模式下破壞。Fujikake 等[20] 保持配箍率不變，對3 種不同縱筋配筋率鋼筋混凝土梁進行落錘沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)縱筋配筋率對鋼筋混凝土梁的破壞模式有顯著影響。Zhao 等[21] 通過改變梁跨度、配箍率、沖擊體質(zhì)量和沖擊速度對梁的剪切破壞模式進行研究，指出不同于靜態(tài)加載試件裂紋分布，沖擊加載試件裂紋均集中在沖擊點處，趙德博等發(fā)現(xiàn)[22] 隨沖擊速度提高和沖擊質(zhì)量減小，梁的局部變形加劇，梁的整體耗能反而減小，說明結(jié)構(gòu)的響應正由整體模式向局部或局部與整體耦合模式轉(zhuǎn)變。梅福林等[23] 對素混凝土梁和無箍筋輕混凝土梁進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土梁的沖擊破壞模式與沖擊體的沖擊速度和梁的配筋率直接相關(guān)，在沖擊體以較低速度沖擊下梁發(fā)生彎曲破壞，當沖擊速度達到一定程度時，在跨中區(qū)域形成八字形剪切破壞形態(tài)，繼續(xù)增大沖擊速度，鋼筋混凝土梁會發(fā)生局部的沖切破壞。

目前對鋼筋混凝土構(gòu)件抗沖擊性能的研究大部分集中在沖擊力、構(gòu)件的變形以及破壞規(guī)律方面，但對破壞模式的轉(zhuǎn)化及其影響規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)性研究。為了揭示梁破壞模式的轉(zhuǎn)化規(guī)律，本文中對不同配置的鋼筋混凝土梁進行系統(tǒng)的落錘沖擊試驗，以研究不同速度下落錘沖擊梁的動力響應。重點分析各種混凝土強度、縱向鋼筋/箍筋構(gòu)型以及沖擊速度對鋼筋混凝土梁裂縫發(fā)展、破壞模式和破壞模式轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，以期為結(jié)構(gòu)的抗撞設(shè)計與防護提供重要參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

鋼筋混凝土梁長為2 200 mm，截面尺寸為200 mm×120 mm（高×寬），均為簡支支承，梁凈跨為1 800 mm。按照配置不同分別編號為B1、B2、B3、B4，詳見表1，其中v 為落錘沖擊速度，根據(jù)落錘自由落體的高度計算得到，EI 為沖擊能量。表中試驗編號B1-S 中，S 代表靜載作用；B1-X 中的數(shù)字X 代表沖擊速度。B3 底部配置2 根 14 mm 的縱向受拉鋼筋，其余梁底部配置2 根 10 mm 縱向受拉鋼筋，梁頂部均配置2 根直徑6 mm 的縱向鋼筋。B1～B3 梁配置箍筋為 6@200， B4 梁配置箍筋為 6@100。所有的鋼筋均為H R B 4 0 0 鋼筋，圖1 給出了HRB400 鋼筋的拉伸試驗結(jié)果，鋼筋試樣的3 次屈服強度分別為401.3、395.7 和402.8 MPa，平均靜態(tài)屈服強度f y = 4 0 0 M P a。彈性模量E s =200 GPa，斷裂應變εu=0.28。B1 梁混凝土強度等級為C20， B2～B4 梁混凝土強度等級為C40。圖2～3 給出了在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d、邊長150 mm 的立方體標準試件的應力-應變曲線，C20 混凝土實測立方體抗壓強度fc =21 MPa（3 次測試結(jié)果分別為20.5、20.8 和21.1 MPa，平均峰值應力為21 MPa）、C40 混凝土實測立方體抗壓強度fc=42 MPa（3 次測試結(jié)果為40.8、41.6 和42.2 MPa，平均峰值應力為42 MPa），C20、C40 混凝土立方體峰值應變ε0= 0.002。縱向鋼筋保護層厚度為10 mm。

1.2 試驗沖擊加載方案

試驗利用山東省土木工程防災減災重點實驗室的落錘沖擊系統(tǒng)，其試驗裝置，如圖4 所示。試驗落錘錘頭直徑為100 mm 的平面錘頭，落錘總質(zhì)量為100 kg，具體的試驗工況見表1。

1.3 測試方案

為了準確采集鋼筋混凝土梁受落錘沖擊的動態(tài)響應過程，綜合采用動態(tài)采集儀、高速攝影、DIC 裝置等設(shè)備，測量相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：（1） 沖擊力；（2） 支座反力；（3） 跨中位移及撓度分布；（4） 混凝土和鋼筋應變；（5） 裂縫發(fā)展過程及最終破壞形態(tài)等?？v筋和箍筋應變片安裝位置見圖5（a），L-T-1～L-T-3 為架立鋼筋的應變片，L-B-1～L-B-3 為縱筋的應變片，T-1～T-3 為箍筋的應變片。試件的跨中位移和撓度分布以及混凝土的應變采用DIC 系統(tǒng)配合高速攝影進行獲取，數(shù)字噴斑及位移觀測標記點位置如圖5（b） 所示，相鄰標記點的軸向距離為300 mm。利用高速攝影記錄裂縫開展過程，拍攝幀率為5 000 s?1，拍照記錄梁的最終整體破壞形態(tài)和局部破壞情況。數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率為10 kHz。

2 靜載試驗結(jié)果及分析

首先完成了B1～B4 等4 類不同配置的鋼筋混凝土的靜載試驗，獲得了梁跨中位移時程以及跨中縱筋應變時程。圖6 是B1 梁在靜力加載下力-跨中位移曲線和力-跨中縱筋應變曲線，可以看出梁的典型彈塑性變形過程。當荷載增大到29.81 kN 時，跨中位移8.14 mm，底部縱筋屈服，屈服應變約為0.003 4；隨著變形增加，梁進入強化階段，當荷載增加到約36.96 kN 時，跨中位移達到35.86 mm 并發(fā)生破壞。試驗表明，該梁在靜載下表現(xiàn)出適筋梁的變形能力和承載特性。通過靜載試驗，可分析得到B1～B4 梁的屈服承載力Fy、屈服時的位移xy、跨中極限位移xu 和極限承載力Fu 等參數(shù)，見表2。

3 沖擊試驗結(jié)果與分析

共進行了4 組16 根梁試件的落錘沖擊試驗，主要試驗結(jié)果見表3，包括沖擊速度、沖擊力峰值pImax、支座反力峰值pRmax、位移峰值Dmax 和殘余位移Dr。基于測得的試驗數(shù)據(jù)，對梁的動力響應規(guī)律、破壞模式及轉(zhuǎn)化進行分析。

3.1 沖擊力、支座反力

B1～B4 梁在平面錘頭沖擊下的沖擊力時程曲線和支座反力時程曲線如圖7～8 所示。從圖7可以看出，沖擊力時程曲線由持時短、峰值較大的脈沖段和持時長、峰值小的平臺段組成，配置相同的梁隨沖擊速度提高，其脈沖段的持續(xù)時間接近，但峰值明顯增大。落錘沖擊速度相同時，沖擊力峰值隨混凝土強度、縱向鋼筋配筋率的增加而增大，說明結(jié)構(gòu)變形剛度對沖擊力影響顯著。從圖7～8 梁的支座反力可以看出，支座反力的響應時間明顯遲于沖擊力，兩者之間的時間差就是剪切波的傳播時間，在沖擊力激發(fā)時刻為計時起點，可以看出支座反力開始響應的時刻約為0.4 ms。通常支座反力的峰值隨沖擊速度的提高而增大，但梁在較高沖擊速度下發(fā)生沖擊破壞時，支座反力會減小，如B3 梁在12.12 m/s 的沖擊速度下，發(fā)生沖切破壞，沖切破壞屬于脆性破壞，沖擊力不能向兩側(cè)支座傳播，導致支座反力減小。

圖9 所示為沖擊力峰值與沖擊速度的關(guān)系，可以看出沖擊力峰值隨著沖擊速度的增加而增大，同時受混凝土強度、縱向鋼筋配筋率、配箍率的影響。B1 梁為C20 混凝土梁，其沖擊力峰值明顯小于相同沖擊速度下的C 4 0 混凝土B2 梁的沖擊力峰值，說明沖擊力受混凝土強度的影響顯著，混凝土強度直接影響撞擊力的局部接觸剛度。B2 梁和B3 梁在相同沖擊條件下，B3 梁的沖擊力峰值更大，主要原因是其底部配置有2 14 mm 縱向受拉鋼筋，B3 梁的整體變形剛度大造成結(jié)構(gòu)與錘頭之間的接觸力大，說明結(jié)構(gòu)的整體剛度會影響沖擊局部效應，但并不顯著。B4 梁同B2 梁相比較，其配箍率增大，但相同沖擊速度下的沖擊力峰值非常接近，反映出配箍率對沖擊力影響較小。因此，沖擊體-梁的局部接觸力主要取決于局部接觸剛度，結(jié)構(gòu)整體剛度的影響較小，理論分析可以忽略整體剛度的影響。

3.2 跨中位移

圖10 為B1～B4 梁分別在不同沖擊作用下的跨中位移時程曲線，可以看出，跨中位移峰值以及殘余位移隨沖擊速度的提高而增大。其中試件B1-9.39 和B3-12.12 破壞嚴重，發(fā)生沖切斷裂破壞。梁的跨中位移峰值Dmax、殘余位移Dr 見表3。圖11 為相同沖擊速度下不同配置梁的跨中位移時程曲線，可以看出，梁配置不同，結(jié)構(gòu)的位移響應明顯不同。B1 梁的跨中位移最大，B2 梁和B4 梁的跨中位移接近，B3 梁的跨中位移最小。綜合分析表明：底部縱筋配筋率越大以及混凝土強度越高，結(jié)構(gòu)整體剛度越大，在相同沖擊條件下，梁的位移響應越小，而配箍率主要提高抗剪能力，對整體剛度影響不大，對結(jié)構(gòu)整體位移的影響較小。

梁沖擊發(fā)生彎曲破壞時，跨中位移響應與沖擊動能和梁的極限靜承載能力密切相關(guān)[24-25]。圖12～13 給出了位移峰值Dmax 和殘余位移Dr 與EI/Fu 的關(guān)系，其中EI 為沖擊動能，F(xiàn)u 為極限靜承載力?？梢钥闯鰪澢茐臅r，Dmax 與EI/Fu 以及Dr 與EI/Fu 之間存在較好的線性關(guān)系，圖12 中線性相關(guān)系數(shù)R=0.997 28，圖13 中線性相關(guān)系數(shù)R=0.995 38。B1-7.00 梁由于發(fā)生剪切破壞，不屬于彎曲破壞，剔除后可分析得到位移峰值和殘余位移與EI/Fu 的線性關(guān)系式分別為：

3.3 鋼筋應變

鋼筋的應變能夠反映梁的整體響應階段，圖14 所示為B3 梁底部縱筋應變的3 處應變曲線， L-B-1～L-B-3 均為拉應變，且縱筋應變越靠近跨中其值越大，撓度達到峰值的時間約10 ms，可以看出梁沖擊并發(fā)生彎曲整體響應時，底部鋼筋的應變與位移響應規(guī)律基本一致。

3.4 混凝土應變

利用DIC 系統(tǒng)通過對高速攝影拍攝的噴涂在梁側(cè)面的散斑的識別，可以分析得到混凝土應變分布和變化特點。圖15 為梁B1 受落錘5.42 m/s 沖擊時的表面應變分布，可以看出沖擊開始梁底出現(xiàn)局部拉應力區(qū)，并不斷向兩側(cè)擴展，最終梁凈跨內(nèi)底部區(qū)域均成為拉應力區(qū)，表明B1-5.42 梁為彎曲變形。

B1-9.39 梁的混凝土軸向應變分布如圖16 所示。同樣可以看到初始時刻梁底局部受拉應力作用，并向兩側(cè)擴展，同時梁頂部區(qū)域撞擊兩側(cè)形成斜裂縫，并成近似45°向下延伸到梁底形成貫穿裂縫，造成沖切塞塊，約3.6 ms 時混凝土沖切塞塊形成，而梁底部的受拉區(qū)僅擴展沖切塞塊內(nèi)，表明梁發(fā)生了沖切破壞。

4 鋼筋混凝土梁破壞模式及轉(zhuǎn)化

4.1 裂縫開展過程

通過高速攝影獲得了鋼筋混凝土梁受沖擊時裂縫的典型發(fā)展過程，有助于判定結(jié)構(gòu)的沖擊破壞模式。

4.1.1 彎剪破壞

圖17 為B4-9.93 的裂縫開展過程。沖擊后約0.6 ms 時，沖擊區(qū)域率先形成近似八字形剪切斜裂縫，并快速擴展到梁底，形成剪切破壞區(qū)；2.0 ms時，跨中截面出現(xiàn)垂直裂縫；7.0 ms 時，剪切破壞區(qū)內(nèi)不斷增加新的彎曲斜裂縫。斜裂縫和垂直裂縫出現(xiàn)的順序表明結(jié)構(gòu)受沖擊后，先達到結(jié)構(gòu)的極限剪切承載力，剪切裂縫首先開始發(fā)育，后達到試件的極限彎曲承載力，彎曲裂縫開始發(fā)育，即剪切效應在前，彎曲效應在后。這是因為撞擊初期接觸區(qū)域即產(chǎn)生了較大的剪力，瞬時形成剪切斜裂縫。錘頭-梁緊密接觸后一并向下運動，至25.0 ms 梁的撓度達到最大值，期間斜裂縫和垂直裂縫不斷開展變寬，底部受拉鋼筋變形較大，并且梁頂撞擊區(qū)域混凝土受壓破壞剝落跡象，表明鋼筋混凝土梁發(fā)生的是彎剪破壞模式。

4.1.2 剪切破壞

圖18 為試件B1-7.00 的裂縫發(fā)展過程。沖擊開始約0.4 ms，梁-錘接觸區(qū)附近的梁腹中首先出現(xiàn)剪切斜裂縫，隨之不斷擴展，在跨中截面所在區(qū)域的梁腹產(chǎn)生2 條對稱的斜裂縫；3.4 ms 時，右邊一側(cè)的主斜裂縫在后續(xù)的撞擊過程中繼續(xù)擴展，擴展到整個梁高范圍，形成貫穿斜裂縫，梁頂部的梁錘接觸區(qū)開始壓碎；17.0 ms 時，梁發(fā)生整體剪切破壞，錘頭撞擊點處的混凝土破裂飛散，梁錘保持一致向下運動，40.8 ms 時，跨中撓度發(fā)展到最大值，此后進入回彈階段。

4.1.3 沖切破壞

圖19 為試件B1-9.39 的裂縫發(fā)展過程。沖擊開始約0.8 ms，跨中出現(xiàn)由梁腹開展的對稱斜裂縫；3.0 ms 時斜裂縫明顯發(fā)育；7.2 ms 時梁-錘接觸區(qū)混凝土被壓碎；17.0 ms 時混凝土保護層開始剝離；27.6 ms時受壓區(qū)混凝土破壞嚴重，剪切塞剝離；69.6 ms 時梁斷裂觸底。沖擊過程初期跨中底部形成細微的垂直裂縫，后期幾乎沒有發(fā)展。

4.2 破壞模式

4.2.1 B1 梁在不同沖擊速度下的破壞模式

B1 梁在不同加載條件下的破壞形態(tài)分別如圖20 所示。

（1） 準靜態(tài)加載時，跨中及附近形成6 條間隔分布的垂直裂縫和斜裂縫，主裂縫為垂直裂縫，斜裂縫開展不充分，表明適筋梁發(fā)生彎曲破壞。

（2） 3.13 m/s 沖擊速度下，裂縫最終分布形態(tài)與準靜態(tài)近似結(jié)果類似，但以垂直裂縫為主，且裂縫沿梁跨均勻分布，說明梁發(fā)生彎曲破壞。

（3） 5.42 m/s 沖擊速度下，梁跨中除撞擊區(qū)域底部出現(xiàn)垂直裂縫外，還有2 條與梁底面夾角為45°的貫穿斜裂縫，梁1/4 跨出現(xiàn)近似對稱的斜裂縫，屬于彎剪破壞模式。

（4） 7.00 m/s 沖擊速度下，裂縫集中于撞擊點底部區(qū)域，梁左側(cè)斜裂縫開展不明顯，右側(cè)形成貫穿的主斜裂縫，裂縫與梁底面約呈45°，其余區(qū)域沒有明顯裂縫，表明梁發(fā)生剪切破壞模式。

（5） 9.39 m/s 沖擊速度下，沿梁跨垂直裂縫和斜裂縫均有分布，但裂縫發(fā)育較淺，而沖擊區(qū)域底部破壞區(qū)域更加集中，并形成沖切塞塊，塞塊兩側(cè)邊界與梁底面的夾角大于45°，表明發(fā)生沖切破壞模式。

4.2.2 B2 梁在不同沖擊速度下的破壞模式

B2 梁在不同加載條件下的破壞形態(tài)分別如圖21 所示。

（1） 準靜態(tài)加載時，沿梁跨形成7 條近似垂直的裂縫，裂縫分布左右對稱，為典型的適筋梁彎曲破壞。

（2） 3.13 m/s 沖擊速度下，裂縫發(fā)展形態(tài)與準靜態(tài)加載時的相似，但接觸區(qū)域下方的裂紋數(shù)量比靜態(tài)加載時多，梁左側(cè)有一條斜裂縫，斜裂縫與梁底面的夾角大于45°，屬于彎曲破壞模式。

（3） 5.42 m/s 沖擊速度下，梁底部出現(xiàn)間隔分布的裂縫，主裂縫以垂直裂縫為主，接觸區(qū)域下方的斜裂縫與梁底面夾角大于45°，屬于彎曲破壞模式。

（4） 7.00 m/s 沖擊速度下，形成的垂直裂縫和斜裂縫主要集中分布在撞擊點底部區(qū)域，在梁左右1/4 跨位置有2 條對稱的垂直裂縫，表明梁屬于彎剪破壞模式。

（5） 9.39 m/s 沖擊速度下，裂縫更加向跨中集中，而主裂縫為斜裂縫，梁左側(cè)斜裂縫開展明顯，剪切塞有剝離趨勢，表現(xiàn)為剪切破壞特征，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞。

4.2.3 B3 梁在不同沖擊速度下的破壞模式

B3 梁在不同加載條件下的破壞形態(tài)分別如圖22 所示。

（1） 準靜態(tài)加載時，跨中底部垂直裂縫和斜裂縫密集分布，同時受壓區(qū)混凝土發(fā)生壓縮破碎，表明是彎剪破壞。

（2） 3.13 m/s 沖擊速度下，在跨中以及離兩支座1/4 跨位置處，形成貫穿垂直裂縫，在接觸區(qū)域下方有2 條對稱的斜裂縫，但斜裂縫較淺，發(fā)育不充分，屬于程度較輕的彎剪破壞。

（3） 5.42 m/s 沖擊速度下，跨中區(qū)域垂直裂縫和斜裂縫發(fā)育明顯，接觸區(qū)域垂直裂縫和斜裂縫均貫穿梁側(cè)面，梁支座位置附近垂直裂縫和斜裂縫均有分布，意味著彎曲和剪切共同作用，表現(xiàn)出彎剪破壞模式。

（4） 9.39 m/s 沖擊速度下，裂縫進一步向跨中集中，形成細密的斜裂縫和垂直裂縫，且底部裂縫發(fā)展充分，造成底部混凝土掉落，屬于彎剪破壞。

（5） 12.12 m/s 沖擊速度下，梁跨中出現(xiàn)貫穿塞塊，結(jié)構(gòu)發(fā)生沖切破壞。

4.2.4 B4 梁在不同沖擊速度下的破壞模式

B4 梁在不同加載條件下的破壞形態(tài)分別如圖23 所示。

（1） 準靜態(tài)加載時，以沿梁跨分布的垂直裂縫為主，裂縫沿梁跨近似均勻分布且跨中裂縫分布范圍較大，為彎曲破壞。

（2） 3.13 m/s 沖擊速度下，梁跨中形成一條貫穿垂直裂縫，另一條較短的斜裂縫發(fā)育不充分，為彎曲破壞。

（3） 5.42 m/s 沖擊速度下，主裂縫以垂直裂縫為主，并沿梁跨均勻分布，在梁接觸區(qū)域右側(cè)形成兩條斜裂縫，但斜裂縫與梁底面夾角很大，垂直裂縫向上擴展至梁頂部區(qū)域，為彎曲破壞。

（4） 7.00 和9.39 m/s 沖擊速度下，跨中形成較多的斜裂縫和垂直裂縫，其中對稱斜裂縫之間的區(qū)域內(nèi)是垂直裂縫，表現(xiàn)出彎剪破壞形式。9.39 m/s 的沖擊加載下，裂縫更加向跨中集中，斜裂縫和垂直裂縫寬度加大。

4.3 破壞模式轉(zhuǎn)化分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)沖擊后的極限破壞狀態(tài)的裂縫分布規(guī)律和破壞特征，可以判定出4 種不同的沖擊破壞模式。

（1） 梁底部以分布的垂直裂紋為主，為彎曲大變形或彎曲破壞模式；

（2） 裂縫趨向集中于撞擊區(qū)底部，形成密集分布的斜裂縫和垂直裂縫，斜裂縫與梁底面夾角約45°，接觸區(qū)域下方的斜裂縫和垂直裂縫發(fā)育較為明顯，在梁1/4 跨或梁端附近有對稱的垂直裂縫分布，為彎剪破壞模式。

（3） 梁底裂縫更加向撞擊點區(qū)域集中，主裂縫為斜裂縫，斜裂縫與梁底面的夾角約45°，斜裂縫發(fā)育明顯，有剝離趨勢但未形成沖切塞塊，剪切起控制作用，為剪切破壞模式。

（4） 出現(xiàn)沖切塞塊，塞塊側(cè)邊與梁底面夾角大于45°，為沖切破壞模式。

依據(jù)上述破壞模式判別標準，可對試驗梁構(gòu)件的破壞模式進行判斷，并分析破壞模式轉(zhuǎn)化規(guī)律，見表4。

綜合以上的分析，對B1～ B4 梁破壞模式轉(zhuǎn)化進行匯總：

（1） 沖擊速度對混凝土梁破壞模式轉(zhuǎn)變的影響。從表4 中可以看出，隨著沖擊速度的增加，鋼筋和混凝土的應變率效應[26-29] 愈發(fā)明顯地反映到結(jié)構(gòu)上，會使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生改變以及使鋼筋混凝土梁的動態(tài)承載能力增加。由于在動態(tài)加載條件下鋼筋和混凝土材料顯著增加，鋼筋混凝土梁的軸向和抗彎承載能力有明顯提高，因此會引起沖擊破壞模式的轉(zhuǎn)變，逐步由彎曲破壞向彎剪破壞、剪切破壞和和沖切破壞模式轉(zhuǎn)化。

（2） 不同結(jié)構(gòu)配置對混凝土梁破壞模式轉(zhuǎn)變的影響。從表4 同樣可看出，沖擊速度相同時，結(jié)構(gòu)的配置不同，結(jié)構(gòu)的破壞模式同樣會發(fā)生轉(zhuǎn)化。

① 在靜力加載下B1、B2 和B4 梁發(fā)生彎曲破壞，B3 梁發(fā)生彎剪破壞。這是由于B3 梁的受拉縱筋為2 14 mm，B3 梁抗彎承載能力提高，在荷載作用下同時達到梁的抗彎承載力極限和抗剪承載力極限。

② 在3.13 m/s 沖擊速度下，B1、B2 和B4 梁發(fā)生彎曲破壞，B3 梁發(fā)生彎剪破壞。在較低速度沖擊作用下，材料的應變率效應不明顯，梁的抗彎承載能力增強不明顯，致使B1、B2 和B4 梁在3.13 m/s 沖擊荷載作用下達到抗彎承載力極限。B3 梁在3.13 m/s 沖擊荷載作用下只發(fā)生較輕程度的彎剪破壞。

③ 在5.42 m/s 沖擊速度下，B2 和B4 梁發(fā)生彎曲破壞，B1、B3 梁發(fā)生彎剪破壞。B1 梁采用的是C20混凝土，其抗剪強度小于C40 混凝土的，由于材料的應變率效應，B1 梁在3.13 m/s 沖擊荷載作用下其抗彎承載力增強，同時達到梁的抗彎承載力極限和抗剪承載力極限。

④ 在7.00 m/s 沖擊速度下，B1 梁發(fā)生剪切破壞、B2 梁發(fā)生彎剪破壞、B4 梁發(fā)生彎曲破壞。在7.00 m/s沖擊荷載作用下，材料的應變率效應較明顯，梁的抗彎承載能力增強，C20 混凝土抗剪強度小于C40 混凝土，B1 梁達到抗剪承載力極限，發(fā)生剪切破壞；B2 梁采用C40 混凝土，同時達到梁的抗彎承載力極限和抗剪承載力極限，發(fā)生彎剪破壞；B4 梁采用C40 混凝土、箍筋配置為 6@100，抗剪能力增強，發(fā)生彎曲破壞。

⑤ 在9.39 m/s 沖擊速度下，B1 梁發(fā)生沖切破壞、B2 梁發(fā)生剪切破壞、B3 和B4 梁發(fā)生彎剪破壞。落錘以較高速度沖擊梁時，梁與落錘接觸區(qū)域吸收能量增加，導致局部響應開始時形成較多微裂縫，削弱剪切波向支撐處傳遞能力，落錘的動能進一步被梁錘接觸區(qū)域吸收，使得B1～B4 梁發(fā)生更嚴重的破壞。

5 結(jié) 論

開展了不同配置、不同速度的鋼筋混凝土梁落錘沖擊試驗，綜合測量獲得了沖擊力、支座反力、鋼筋與混凝土應變和結(jié)構(gòu)變形等參量，重點分析了不同混凝土強度、不同縱筋/箍筋配置以及不同沖擊速度對鋼筋混凝土梁的動力響應以及破壞模式的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1） 低速沖擊下鋼筋混凝土梁的位移峰值和殘余位移隨沖擊速度的提高而增大，且與沖擊動能與極限靜承載力之比均存在較好的線性關(guān)系；混凝土強度越高、縱筋配筋率越高，相同沖擊條件下梁所受的撞擊力峰值越大，但結(jié)構(gòu)的整體位移響應越小，且配箍率對整體位移響應的影響越小。

（2） 鋼筋混凝土梁在靜載和沖擊動載作用下的破壞模式明顯不同，沖擊作用下梁裂縫向撞擊點區(qū)域集中，且斜裂縫先于垂直裂縫出現(xiàn)，表明撞擊時剪切效應在前，彎曲效應在后。

（3） 鋼筋混凝土梁試件在靜載作用下均發(fā)生彎曲破壞，但落錘沖擊作用下，鋼筋混凝土梁存在著彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞和沖切破壞4 類破壞模式。

（4） 相同結(jié)構(gòu)配置條件下，隨沖擊速度的不斷提高，鋼筋混凝土適筋梁逐漸由彎曲破壞模式向彎剪破壞、剪切破壞、沖切破壞轉(zhuǎn)化。當沖擊速度相同，提高混凝土強度和配箍率或降低縱向鋼筋配筋率，梁的破壞模式同樣會發(fā)生變化，逐步由沖切、剪切破壞模式向彎剪破壞和彎曲破壞模式轉(zhuǎn)化。結(jié)構(gòu)的沖擊破壞模式及其轉(zhuǎn)化規(guī)律能夠為結(jié)構(gòu)的抗撞設(shè)計與防護提供重要參考。

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（責任編輯 王易難）