沖擊荷載對混凝土結構的破壞實例分析

陳奇  贠作義

（西安建工集團有限公司  西安建筑科技大學土木工程學院）

    隨著城市化進程的加快，高層結構在同樣的土地資源情況下，能滿足更多人的住房需求，因此在本來土地資源就匱乏的城市里，高層建筑越來越多，但同時高層結構也帶來了一些隱患。在施工階段和正常使用階段，高層建筑在承受正常的設計荷載之外，常常也會承受沖擊荷載，如汽車的撞擊，高空墜物等。沖擊荷載持時短、高強度的脈沖荷載，其作用可能會對鋼筋混凝土結構造成比較大的損壞，因此國內外對沖擊荷載下混凝土結構構件的受力進行了大量的研究。本文結合某框架-剪力墻結構實例，對沖擊荷載對混凝土梁板的受力破壞做以分析

1.國內外沖擊荷載的在實際工程中研究現狀

    沖擊荷載是短暫的荷載作用很難準確的描述，沖擊作用的瞬間，由于沖擊物的速度、質量一起兩物體的性質及材料性質的不同，結構的響應也不相同。國內外學者對沖擊荷載的破壞模式、受力性能做了大量的實驗和理論分析，理論上對沖擊荷載的研究方法主要借鑒經典沖擊理論，其方法分兩類：經驗公式法和動力分析法。

    1.1經驗公式法

    經驗公式法主要采用擬靜力研究方法，根據大量實驗和統計分析，將沖擊荷載作用下構件的應力變形計算，轉化為靜力計算，并考慮到總結出經驗公式，在工程中，通常采用一種較為粗略但偏于安全的簡化計算方法，作為被沖擊物內沖擊應力的估算，在中對自由落體撞擊構件的變形計算，根據能量守恒原則給出沖擊動荷因數，將沖擊問題簡化為等效的靜力問題。

    1.2動力分析法

    動力分析法是根據結構系統力學性能的相似原理，由于沖擊荷載的作用時間非常短, 因此作用在結構中的阻尼力還未發生作用的情況下, 構件就已達到位移了最大值或發生破壞, 為了計算簡單, 常常在沖擊荷載作用的結構響應計算工中可不考慮阻尼作用。動力分析方法的缺點在于模型假設不同，會得到不同的結果和誤差，并可能遺漏對結構有影響的薄弱環節，導致分析不夠嚴密。而對于多自由度結構計算，這種誤差更可能發生，而且計算量相當大，因此該方法實際操作有很大的難度。

    1.3有限元分析法

    隨著計算機仿真技術的廣泛發展與應用，對沖擊問題用有限元數值模擬的方法進行研究越來越對，數值模擬的精度要比經驗公式分析方法和動力分析方法進度要高許多。以前由于條件的限制，要通過計算的出結果，需花費大量的人力和時間，而且不一定能實現。現在我們利用數值模擬的方法研究沖擊問題。從上世紀70年代以來，相繼使用LS-DYNA等一系列用于動力響應分析的動態非線性有限元程序，這些軟件已我們在結構沖擊動力行為分析方面的得力助手，并且取得了一系列研究成果。

盡管做了以上大量的研究，但對實際工程中的應用研究還有所欠缺，本文借鑒經典沖擊理論，根據規范要求結合經驗公式法，采用擬靜力研究方法，根據大量實驗和統計分析，將沖擊荷載作用下構件的應力變形計算，轉化為靜力計算，通常采用一種較為粗略但偏于安全的簡化計算方法，不考慮考慮阻尼和摩擦等能量的損失，給沖擊荷載乘以動荷因數，作為被沖擊物內沖擊應力的估算，將沖擊問題簡化為等效的靜力問題，為工程檢測人員對檢測數據的處理提供參考。

2.工程實例

    2.1工程概況

    該工程為鋼筋混凝土框架-抗震墻結構，上部主體結構在施工時附著式腳手架掉落,對負一層地下車庫梁L-3、L-4、L-5造成直接的沖擊荷載,且破壞嚴重，而L-1、L-2承受間接荷載，相對來說破壞不是很明顯。附著式腳手架的恒載包括架體結構、維護設施、作業層設施、固定于架體上的升降機構和其他設備、裝置等自重，活載包括施工人員、材料及施工機具等自重。主體結構地上30層，地下2層，建筑主體高度99.9米，抗震設防烈度為8度，其中框架抗震等級一級，剪力墻抗震等級一級，設計使用年限為50年。環境類別為二a類，地下室部分混凝土構件混凝土設計強度：剪力墻、梁、板均為C45,梁截面尺寸為350x700mm，縱向受力鋼筋HRB335，混凝土板厚160mm。

    2.2計算荷載的選取

    根據《荷載規范》規定,電梯豎向撞擊荷載的標準值可在電梯重力荷載的4~6倍范圍內選取,即給重力荷載乘以相應的動荷因數，將其轉化為靜力荷載。本工程受力類似電梯的豎向撞擊荷載，參考該規定，在直接受到沖擊荷載的位置選取撞擊荷載的標準值取為重力荷載的6倍，對于間接受力的梁該動荷因數選取為4進行計算，將撞擊荷載按靜力等效原則，轉化為梁上施加的均布荷載，梁自重相對撞擊荷載很小，所以在計算中忽略梁的自重對變形的影響。

    2.3檢測結果

    根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）

    坡道板的長邊與短邊長度之比小于2.0，按雙向板考慮，頂板沿長邊方向開裂，裂縫未見貫通；坡道底板裂縫大致沿塑性鉸線方向出現，附近開裂裂縫寬度0.25～1.0mm，破壞形態和承受均布靜力荷載是板的破壞形態相似。梁的裂縫寬度寬度在1.8～3.5mm，對梁進行取芯檢查，發現裂縫多處貫通，梁破壞嚴重，因此主要對梁受進行計算，對比實測結果，選取加固方案。用回彈法檢測梁板混凝土強度，結果滿足設計要求。

    2.4力學模型的選取

    由于鋼筋混凝土框架-抗震墻結構，梁在結構主體中很難確定的支撐類型，通過對兩端固結，一端鉸接，兩端簡支三種不同支撐類型的試算，結果表明：前兩種支撐類型計算結果偏于保守，與實測數據相差較大，因此假定梁的力學計算模型為承受均布荷載的彈性均質簡支梁。

    2.5變形計算

    對于簡支梁，根據最小剛度原則，選取全跨范圍內彎矩最大截面處的最小剛度，根據工程經驗，對用HRB335級鋼筋配筋的簡支梁，高跨比在1/20~1/10時，允許撓度值為lo/200。

受彎構件的短期剛度:B_S

      根據混凝土規范，受彎構件在荷載標準組合時：

     MK:計算標準組合彎距值；

     Mq;計算永久組合彎距值；

    θ:考慮荷載長期作用下對撓度增大的影響系數；

    受彎構件撓度：

    2.4結果分析：

    該工程地下車庫坡道在沖擊荷載作用下，該工程地下車庫坡道梁的變形實測數據考慮3‰初始起拱值。根據規范要求梁的跨度大于4m，考慮3‰初始起拱值，梁的凈距為6.1m,起拱值為18.3mm，實測變形如表1所示。

表1：框架梁變形觀測結果

    注：變形觀測值考慮3‰初始起拱值。

    將沖擊荷載乘以動荷因數計算結果如表2所示

表2：框架梁變形計算結果

    對比計算結果和實測數據發現：實測數據變形小于計算結果，說明結構在受沖擊荷載后，有部分的彈性變形恢復。受拉鋼筋應力大于鋼筋的屈服應力，鋼筋可能已經屈服，影響安全使用性能。

    3.結論與展望

    通過對實際工程的觀測，對比理論計算結果，可以得到以下結論：

    1)將沖擊荷載轉化為擬靜力荷載，沒有考慮結構的彈性恢復，荷載對結構的響應會被放大，但對于結構的檢測計算方便，按計算結果進行加固，可保證結構的安全性

    2)根據對工程實際工程的計算結果對比，在計算沖擊荷載轉化為靜力荷載檢測計算時，簡支梁模型更符合實際情況。

    3)動荷因數的選取給工程檢測人員對沖擊荷載造成的破壞檢測計算提供了一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 孫訓方．材料力學Ⅱ[M]．北京；高等教育出版社，2003

[2] 梁興文．混凝土結構設計原理[M]．北京；中國建筑工業出版社，2008

[3]國家標準《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）

[4]國家標準《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）  

(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)