约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响

工程科学学报，第37卷，第2期：260-265,2015年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.2:260-265,February 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.02.020:http://journals.ustb.edu.cn 约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 杨润林四，赵力”，聂婷》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国建筑科学研究院建筑设计院，北京100013 ☒通信作者，E-mail:rlyang@ustb.cdu.cn 摘要在前期研究的刚柔复合防护结构体系的基础上，针对钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能进行了分析研究，重点在于 探讨梁端约束条件可能对防护效果产生的影响.在数值模拟的过程中，分别考虑了无防护、刚性防护、柔性防护和阵列式刚 柔复合防护四种不同的措施以及两端固支、两端铰支和一端固支一端铰支三种不同的梁端约束形式.通过观测钢筋混凝土 梁的应变、位移、加速度、冲击力等参数，对比分析不同防护装置的抗撞效果.数值结果表明，在相同的冲击条件下，尽管复合 防护的效果最优，但梁的约束形式仍对动力反应峰值的抑制效果有显著影响，其中又以两端固支梁的防护效果为最好. 关键词钢筋混凝土梁：抗撞：冲击荷载：约束：防护 分类号TU312:TB122 Influence of constraint forms on the crashworthy performance of reinforced concrete beams with composite laminates YANG Run-lin,ZHAO Li),NIE Ting 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Architectural Design Institute,China Academy of Building Research,Beijing 100013,China Corresponding author,E-mail:lyang@ustb.edu.cn ABSTRACT The impact-resistant performance of steel-reinforced concrete beams with a rigid-flexible composite structure was ana- lyzed based on our earlier research outcomes.The focus was to disscuss the influence of constraint forms on the crashworthy perform- ance of reinforced concrete beams with composite laminates.In the process of numerical simulation,the observed beam with four dif- ferent measures incluing the unprotected,the rigid protective,the flexible protective and the proposed one was considered separately. Meanwhile,three considered constraint forms of the beam ends were as follows:fixed at both ends:hingled at both ends;fixed at one end and hingled at the other end.Protective effects of the different measures were compared and analyzed by observing the strain,the displacement,the acceleration and the impact force of the target beam.Numerical results show that,under the same impact conditions the composite system can obtain the optimal protective effect,but constraint forms may have significant impact on suppression of the dynamic response of the beam.Especially,for the beam fixed at both ends the best protective effect may be obtained. KEY WORDS reinforced concrete beams;impact resistance;impact loads:constraints:protection 传统工程结构设计中很少考虑结构的抗撞防护问 用加芯式内置充填材料等途径·习.刚性防护一般通 题，直到美国9·11恐怖袭击事件后，这一问题才逐渐 过在构件表面设置金属板实现，可提高构件的承载力， 被重视.考虑到构件的不同承载特性，通常结构抗撞 但无法减小构件的内力：柔性防护通过在结构表面设 防护应主要针对关键受力构件进行.工程结构及构件 置柔性层的做法实现，柔性层可以吸收一定的外来能 常规的抗撞措施主要包括刚性防护、柔性防护或者采 量并减少构件承受的荷载，但在冲击荷载下容易受损， 收稿日期：2013-11-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50508003)

工程科学学报，第 37 卷，第 2 期: 260--265，2015 年 2 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 2: 260--265，February 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 02． 020; http: / /journals． ustb． edu． cn 约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 杨润林1) ，赵 力1) ，聂 婷2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 中国建筑科学研究院建筑设计院，北京 100013  通信作者，E-mail: rlyang@ ustb． edu． cn 摘 要 在前期研究的刚柔复合防护结构体系的基础上，针对钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能进行了分析研究，重点在于 探讨梁端约束条件可能对防护效果产生的影响． 在数值模拟的过程中，分别考虑了无防护、刚性防护、柔性防护和阵列式刚 柔复合防护四种不同的措施以及两端固支、两端铰支和一端固支一端铰支三种不同的梁端约束形式． 通过观测钢筋混凝土 梁的应变、位移、加速度、冲击力等参数，对比分析不同防护装置的抗撞效果． 数值结果表明，在相同的冲击条件下，尽管复合 防护的效果最优，但梁的约束形式仍对动力反应峰值的抑制效果有显著影响，其中又以两端固支梁的防护效果为最好． 关键词 钢筋混凝土梁; 抗撞; 冲击荷载; 约束; 防护 分类号 TU312; TB122 Influence of constraint forms on the crashworthy performance of reinforced concrete beams with composite laminates YANG Ｒun-lin1)  ，ZHAO Li1) ，NIE Ting2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Architectural Design Institute，China Academy of Building Ｒesearch，Beijing 100013，China  Corresponding author，E-mail: rlyang@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The impact-resistant performance of steel-reinforced concrete beams with a rigid-flexible composite structure was ana￾lyzed based on our earlier research outcomes． The focus was to disscuss the influence of constraint forms on the crashworthy perform￾ance of reinforced concrete beams with composite laminates． In the process of numerical simulation，the observed beam with four dif￾ferent measures incluing the unprotected，the rigid protective，the flexible protective and the proposed one was considered separately． Meanwhile，three considered constraint forms of the beam ends were as follows: fixed at both ends; hingled at both ends; fixed at one end and hingled at the other end． Protective effects of the different measures were compared and analyzed by observing the strain，the displacement，the acceleration and the impact force of the target beam． Numerical results show that，under the same impact conditions the composite system can obtain the optimal protective effect，but constraint forms may have significant impact on suppression of the dynamic response of the beam． Especially，for the beam fixed at both ends the best protective effect may be obtained． KEY WOＲDS reinforced concrete beams; impact resistance; impact loads; constraints; protection 收稿日期: 2013--11--28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50508003) 传统工程结构设计中很少考虑结构的抗撞防护问 题，直到美国 9·11 恐怖袭击事件后，这一问题才逐渐 被重视． 考虑到构件的不同承载特性，通常结构抗撞 防护应主要针对关键受力构件进行． 工程结构及构件 常规的抗撞措施主要包括刚性防护、柔性防护或者采 用加芯式内置充填材料等途径［1--3］． 刚性防护一般通 过在构件表面设置金属板实现，可提高构件的承载力， 但无法减小构件的内力; 柔性防护通过在结构表面设 置柔性层的做法实现，柔性层可以吸收一定的外来能 量并减少构件承受的荷载，但在冲击荷载下容易受损

杨润林等：约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 261 而且由于表面受载不均匀以及材料内部存在侧向约束 刚性板来扩大柔性层的受力面积.相应的传力路线 的原因，效果有限：在墙体内嵌芯式吸能材料的做法入 为：外部施力对象首先将冲击荷载作用到刚性板上，然 侵结构本身，不宜用于承重构件4 后再传递给柔性层，最后是构件受力.这样不仅可使 鉴于此，笔者前期提出了刚柔复合防护的新措 柔性层避免局部破损，而且可将冲击荷载扩散到较大 施m,可用于结构及构件的抗撞防护设计，能取得很好 的区域内，有助于提高柔性层的抗冲击能力 的防护效果.在前期研究的基础上，本文拟针对钢筋 1.2计算模型 混凝土复合防护梁的抗撞性能进行计算分析，重点讨 模拟梁的尺寸为1700mm×160mm×95mm,如图 论梁端约束条件可能对防护效果产生的影响 2所示.刚性层选用尺寸为200mm×95mm×10mm的 钢板模拟，柔性层选用尺寸为300mm×95mm×10mm 1复合防护装置简介及计算建模 的橡胶板模拟，落锤的尺寸取为220mm×220mm× 1.1复合防护装置原理 175mm,质量为65kg.根据钢筋混凝土梁的外形尺寸 装置构造示意参见图1.由于实际碰撞的接触面 和钢筋的布置可建立几何模型. 较小，为避免柔性层局部受力集中，可以考虑通过增设 本文采用ANSYS/LS-DYNA模块进行分析计算， 钢板和落锤选用各向同性的弹性模型，受拉钢筋、受压 刚性层 柔性层 钢筋和箍筋采用双线性随动材料模型，橡胶采用Blaz- K0橡胶非线性弹性模型，计算参数如表1所示.钢 板、橡胶板、混凝土和落锤选用S0LD164单元，钢筋 选用LNKI60杆单元，假定钢筋与混凝土之间为完全 冲击荷载 一构件 粘结的方式.梁端的约束形式分别考虑两端固支、两 端铰支和一端固支一端铰支三种情况，结合无防护、刚 性防护、柔性防护和刚柔复合防护四种防护措施，一共 分为12种工况.假定初始状态时落锤与试件恰好接 图1复合防护装置示意图 触，碰撞发生在跨中，落锤初速度取为6.3mm·ms, Fig.I Sketch of composite laminates 加速度取为9.8×10 mm'ms-2 183 68 68 68 68 68 68 68 68 68 3520 图2钢筋混凝土梁尺寸（单位：mm) Fig.2 Dimension of the reinforced concrete beam (unit:mm) 表1材料的基本力学参数 Table 1 Mechanical parameters of materials 材料 弹性模量/GPa 切变模量/GPa 泊松比，以 密度/(kgmm3) 面积/mm2 受压钢筋6mm 210 0.3 7.85×10-6 28.5 受拉钢筋b12mm 200 0.3 7.85×10-6 113.0 箍筋drmm 205 0.3 7.85×10-6 12.56 落锤 210 0.3 7.85×10-6 钢板 210 0.3 7.85×10-6 橡胶板 1.04 1.15x10-6

杨润林等: 约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 而且由于表面受载不均匀以及材料内部存在侧向约束 的原因，效果有限; 在墙体内嵌芯式吸能材料的做法入 侵结构本身，不宜用于承重构件［4--6］． 鉴于此，笔者前期提出了刚柔复合防护的新措 施［7］，可用于结构及构件的抗撞防护设计，能取得很好 的防护效果． 在前期研究的基础上，本文拟针对钢筋 混凝土复合防护梁的抗撞性能进行计算分析，重点讨 论梁端约束条件可能对防护效果产生的影响． 1 复合防护装置简介及计算建模 1. 1 复合防护装置原理 装置构造示意参见图 1． 由于实际碰撞的接触面 较小，为避免柔性层局部受力集中，可以考虑通过增设 图 1 复合防护装置示意图 Fig． 1 Sketch of composite laminates 刚性板来扩大柔性层的受力面积． 相应的传力路线 为: 外部施力对象首先将冲击荷载作用到刚性板上，然 后再传递给柔性层，最后是构件受力． 这样不仅可使 柔性层避免局部破损，而且可将冲击荷载扩散到较大 的区域内，有助于提高柔性层的抗冲击能力． 1. 2 计算模型 模拟梁的尺寸为 1700 mm × 160 mm × 95 mm，如图 2 所示． 刚性层选用尺寸为 200 mm × 95 mm × 10 mm 的 钢板模拟，柔性层选用尺寸为 300 mm × 95 mm × 10 mm 的橡胶板模拟，落锤的尺寸取为 220 mm × 220 mm × 175 mm，质量为 65 kg． 根据钢筋混凝土梁的外形尺寸 和钢筋的布置可建立几何模型． 本文采用 ANSYS / LS-DYNA 模块进行分析计算， 钢板和落锤选用各向同性的弹性模型，受拉钢筋、受压 钢筋和箍筋采用双线性随动材料模型，橡胶采用 Blatz￾Ko 橡胶非线性弹性模型，计算参数如表 1 所示． 钢 板、橡胶板、混凝土和落锤选用 SOLID164 单元，钢筋 选用 LINK160 杆单元，假定钢筋与混凝土之间为完全 粘结的方式． 梁端的约束形式分别考虑两端固支、两 端铰支和一端固支一端铰支三种情况，结合无防护、刚 性防护、柔性防护和刚柔复合防护四种防护措施，一共 分为 12 种工况． 假定初始状态时落锤与试件恰好接 触，碰撞发生在跨中，落锤初速度取为 6. 3 mm·ms － 1， 加速度取为 9. 8 × 10 － 3 mm·ms － 2 ． 图 2 钢筋混凝土梁尺寸( 单位: mm) Fig． 2 Dimension of the reinforced concrete beam ( unit: mm) 表 1 材料的基本力学参数 Table 1 Mechanical parameters of materials 材料 弹性模量/GPa 切变模量/GPa 泊松比，μ 密度/( kg·mm － 3 ) 面积/mm2 受压钢筋 6 mm 210 0. 3 7. 85 × 10 － 6 28. 5 受拉钢筋 12 mm 200 0. 3 7. 85 × 10 － 6 113. 0 箍筋 4 mm 205 0. 3 7. 85 × 10 － 6 12. 56 落锤 210 0. 3 7. 85 × 10 － 6 钢板 210 0. 3 7. 85 × 10 － 6 橡胶板 1. 04 1. 15 × 10 － 6 · 162 ·

·262· 工程科学学报，第37卷，第2期 上部为压应变，集中在跨中上表面：下部拉应变，集中 2计算结果分析 在梁跨中下表面.裸梁、刚性和柔性防护梁应变最大 2.1两端因支 区域在冲击面正中区域，复合防护梁应变最大区域集 两端固支梁碰撞应变参见图3所示.对应不同的 中在冲击面两端区域. 防护措施，梁应变在各个位置变化较大.一般而言，梁 N NODAL SOLUTION N NODAL SOLUTION DEC 7 2010 DEC72010 STEP=1 154021 STEP-1 154431 SUB-2 SUB=2 TIME-0.249307 T1ME0249307 EPELY (AVG) EPELY (AVG) S1S-0 50 DMX-1378 DMX--1352 sMN-0481×103 S1MN=-0.479x10 MX-0.471×103 s1MX0.494×103 -0375x1030.164×1030477×10-0.259x1030.471×10 0371×100.155x100.616x100279x10 0.494×10 0481×1030270x10 0.581x10-0.153x10P 0.365x10 0.479x103 0260x1030456x10-0.170x1030.300x103 LS-DYNA user input LS-DYNA user input (a) ② N NODAL SOLUTION N DEC72010 NODAL.SOLUTION [DC72010 STEP-1 1651:12 STEP-1 160424 SUB--4 53=2 T7MF-0.74915 TTME0249307 EPELY (AVG) EPELY (AVG) RSYS-0 RSYS-0 DMX-3409 DMX=1.652 SMN=-0.001551 S1M-0.001523 M 0.0017570.0011030448×1030207×101 0.861x10 0.00121-0526x10+0.157×10-0.840x10P0.001523 0.0020840.001430.775x1030.121×1030534×103 0.001551-0868×103-0.185x1030498×100.001181 LS-DYNA user input lS-D1NAri满t (e) d 图3两端固支梁应变分布.(a)裸梁；(b)刚性防护：(c)柔性防护：(d)复合防护 Fig.3 Strain contours of reinforced concrete beams fixed at both ends:(a)unprotected beam:(b)rigid protection:(c)flexible protection:(d) composite protection 在整个碰撞过程中，冲击力时程曲线经历了多次 速度峰值分别为237.543、97.14、82.88和41.03mm· 冲击和卸载过程.峰值冲击力从大到小依次为裸梁、 ms2.相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁，分别为 加速度峰值分别减少了59.1%、65.1%和82.7%.因 1075.83、1032.76、945.529和801.23kN.相较于棵 此，就加速度峰值而言，刚性防护、柔性防护和复合防 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护下梁的冲击力峰值 护对梁均有一定的防护效果，其中复合防护效果最好， 分别减少了25.5%、12.1%和4%. 柔性防护次之，总体上，有防护措施下受撞梁的加速 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的位 度响应曲线比无防护时平缓. 移峰值分别为6.39、5.77、5.37和4.96mm.相较于裸2.2两端铰支 梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的位移峰值分别减 两端较支梁碰撞应变参见图4所示.裸梁最大 少了9.7%、16.0%和22.4%.因此，就位移峰值而言， 应变位于两端支座处，有防护下最大压应变和拉应 刚性防护、柔性防护和复合防护对梁均有一定的防护 变分别分布在梁跨中上部和下部局部区域.复合防 效果，其中复合防护最优 护梁最大压应变分布在冲击面两侧，应变变化比较 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加 均匀

工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 2 计算结果分析 2. 1 两端固支 两端固支梁碰撞应变参见图 3 所示． 对应不同的 防护措施，梁应变在各个位置变化较大． 一般而言，梁 上部为压应变，集中在跨中上表面; 下部拉应变，集中 在梁跨中下表面． 裸梁、刚性和柔性防护梁应变最大 区域在冲击面正中区域，复合防护梁应变最大区域集 中在冲击面两端区域． 图 3 两端固支梁应变分布． ( a) 裸梁; ( b) 刚性防护; ( c) 柔性防护; ( d) 复合防护 Fig． 3 Strain contours of reinforced concrete beams fixed at both ends: ( a) unprotected beam; ( b) rigid protection; ( c) flexible protection; ( d) composite protection 在整个碰撞过程中，冲击力时程曲线经历了多次 冲击和卸载过程． 峰值冲击力从大到小依次为裸梁、 刚性 防 护 梁、柔 性 防 护 梁 和 复 合 防 护 梁，分 别 为 1075. 83、1032. 76、945. 529 和 801. 23 kN． 相 较 于 裸 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护下梁的冲击力峰值 分别减少了 25. 5% 、12. 1% 和 4% ． 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的位 移峰值分别为 6. 39、5. 77、5. 37 和 4. 96 mm． 相较于裸 梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的位移峰值分别减 少了 9. 7% 、16. 0% 和 22. 4% ． 因此，就位移峰值而言， 刚性防护、柔性防护和复合防护对梁均有一定的防护 效果，其中复合防护最优． 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加 速度峰值分别为 237. 543、97. 14、82. 88 和 41. 03 mm· ms － 2 ． 相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 加速度峰值分别减少了 59. 1% 、65. 1% 和 82. 7% ． 因 此，就加速度峰值而言，刚性防护、柔性防护和复合防 护对梁均有一定的防护效果，其中复合防护效果最好， 柔性防护次之． 总体上，有防护措施下受撞梁的加速 度响应曲线比无防护时平缓． 2. 2 两端铰支 两端铰支梁碰撞应变参见图 4 所示． 裸梁最大 应变位于两端支座处，有防护下最大压应变和拉应 变分别分布在梁跨中上部和下部局部区域． 复合防 护梁最大压应变分布在冲击面两侧，应变变化比较 均匀． · 262 ·

杨润林等：约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 ·263· N N NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION DEC72010 C.7210 STEP-1 162101 STEP-1 162335 SUB-4 SUB-2 TME0.74915 T1ME-0.249307 EPELY (AVG) EPELY (AVG) RSYS-0 RSYS-0 DX-3.316 DMX=1.37 SN--0.003131 SMN=-0472x10 sMX-0.826x10 SMX-0.445×103 0.002691 -0.001812 -0.933x10*0535x10P0.826x1G 0371×10'0.167x1030.070x10-0.241×1030445x10 0.003131-0.002252 0.001372 0493x100.386x10 0472×100269x1030.645×10-0.139x1030.349x103 [S-DYNA uer input [S-DYNA user input (a) N N NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION DEC 7 2010 IDFC:72010 STEP=1 162535 STEP=1 183505 SUB-2 SUB-3 TIME-0,249307 TΠ1ME-0499843 EPELY (AVG) EPELY (AVG) RSYS-0 RSYS-0 DMX-1.763 DX=3371 sMN=-0734x103 SMN-0.839x10r S1MX0.340x10 SX=0.00117 0.615x100.376x102 0.187x1030101×103 0340x10 -0616x1010.170x10于0.277x100.723×1030.00117 0739×1010495×10 0250x1020.182×10P0220x10 0839x1030393x1030.535x100500x1010.946x10 1S-DYNA user in可tit S-D》NA=rim (d) 图4两端较支梁应变分布.(a)棵梁：(b)刚性防护：()柔性防护：(d)复合防护 Fig.4 Strain contours of reinforced concrete beams hinged at both ends:(a)unprotected beam:(b)rigid protection:(c)flexible protection:(d) composite protection 在整个碰撞过程中，冲击力峰值从大到小依次为 2.3一端固支、一端铰支 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁，分别是 一端固支、一端铰支梁的碰撞应变参见图5所示. 727.116、693.595、578.733和560.225kN.相较于棵 不同防护措施下梁应变在各个位置变化较大，梁受冲 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护可分别减少冲击力 击位置的应变较大，压应变集中在梁跨中上表面，拉应 峰值23%、20.4%和4.6%. 变集中在梁跨中底表面.裸梁、刚性和柔性防护梁应 对应两端铰支的情况，裸梁、刚性防护梁、柔性防 变最大区域在冲击面正中区域，而复合防护梁应变最 护梁和复合防护梁的位移峰值分别为9.12、8.62、8.14 大区域集中在冲击面两端区域. 和7.90mm.相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合 在整个碰撞过程中，冲击力峰值从大到小依次为 防护的位移峰值分别减少了5.5%、10.7%和13.4%， 棵梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁，分别是 仍以复合防护效果最好.不过，值得注意的是：与两端 737.716、697.397、591.225和580.793kN.相较于棵 固支对比，同样防护措施在两端铰支的情况下，其防护 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护可分别减少冲击作 效果都有一定程度的降低。 用21.3%、19.9%和5.5%. 棵梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加 对应一端铰支、另一端固支的情况，裸梁、刚性防 速度峰值分别为174.32、85.78、67.99和53.68mm· 护梁、柔性防护梁和复合防护梁的位移峰值分别为 ms2.相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 7.48、7.12、6.67和6.23mm.相较于棵梁，刚性防护、 加速度峰值分别减少了50.8%、61.0%和69.2%.与 柔性防护和复合防护的位移峰值分别减少了4.8%、 位移峰值变化规律类似，与两端固支情况对比，同样防 10.8%和16.7%，仍以复合防护效果最好，柔性防护 护措施在两端铰支的情况下，其防护效果都有一定程 次之. 度的降低 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加

杨润林等: 约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 图 4 两端铰支梁应变分布． ( a) 裸梁; ( b) 刚性防护; ( c) 柔性防护; ( d) 复合防护 Fig． 4 Strain contours of reinforced concrete beams hinged at both ends: ( a) unprotected beam; ( b) rigid protection; ( c) flexible protection; ( d) composite protection 在整个碰撞过程中，冲击力峰值从大到小依次为 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁，分别是 727. 116、693. 595、578. 733 和 560. 225 kN． 相较于裸 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护可分别减少冲击力 峰值 23% 、20. 4% 和 4. 6% ． 对应两端铰支的情况，裸梁、刚性防护梁、柔性防 护梁和复合防护梁的位移峰值分别为9. 12、8. 62、8. 14 和 7. 90 mm． 相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合 防护的位移峰值分别减少了 5. 5% 、10. 7% 和 13. 4% ， 仍以复合防护效果最好． 不过，值得注意的是: 与两端 固支对比，同样防护措施在两端铰支的情况下，其防护 效果都有一定程度的降低． 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加 速度峰值分别为 174. 32、85. 78、67. 99 和 53. 68 mm· ms － 2 ． 相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 加速度峰值分别减少了 50. 8% 、61. 0% 和 69. 2% ． 与 位移峰值变化规律类似，与两端固支情况对比，同样防 护措施在两端铰支的情况下，其防护效果都有一定程 度的降低． 2. 3 一端固支、一端铰支 一端固支、一端铰支梁的碰撞应变参见图 5 所示． 不同防护措施下梁应变在各个位置变化较大，梁受冲 击位置的应变较大，压应变集中在梁跨中上表面，拉应 变集中在梁跨中底表面． 裸梁、刚性和柔性防护梁应 变最大区域在冲击面正中区域，而复合防护梁应变最 大区域集中在冲击面两端区域． 在整个碰撞过程中，冲击力峰值从大到小依次为 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁，分别是 737. 716、697. 397、591. 225 和 580. 793 kN． 相较于裸 梁，复合防护、柔性防护和刚性防护可分别减少冲击作 用 21. 3% 、19. 9% 和 5. 5% ． 对应一端铰支、另一端固支的情况，裸梁、刚性防 护梁、柔性防护梁和复合防护梁的位移峰值分别为 7. 48、7. 12、6. 67 和 6. 23 mm． 相较于裸梁，刚性防护、 柔性防护和复合防护的位移峰值分别减少了 4. 8% 、 10. 8% 和 16. 7% ，仍以复合防护效果最好，柔性防护 次之． 裸梁、刚性防护梁、柔性防护梁和复合防护梁的加 · 362 ·

·264· 工程科学学报，第37卷，第2期 N NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION N DEC72010 DEC72010 STEP-1 163225 STEP=I 163451 SUB=2 SUB-2 TE0.249207 TME-0249307 EPELY EPELY (AVG) RSYS-0 RSYS-0 DMX-1.378 DMX=1.37 SMN--0481×10' SNMN=0472×10F sX-0.471×103 SMX-0445x103 -0.375x103-0.161×1030477x10-0.259x105 0.471×10 0370x10-0167×103 0.375x10-0241×10 0.445×103 0481x100.270x103 -0.581×100.153x1030.365x10 0.472×103-0.269x103-0.645x10-0.139x1030.343x105 IS-DYNA user input IS-DYNA tser input b AN N NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION DEC 7 2010 DEC 7 2010 STEP-1 1637:33 STEP-1 184040 SUB-2 SUB=2 E0249207 TTME-0249307 EPELY (AVG) EPELY (AVG) s50 DM=1.763 SMN=0.734×10H SMN=0.001551 SMIX-0339x10 SMX-0.001523 MX MN MX -0.615x10-0.376x103-0.138x1030100x10 0339x10 0.001210562x100,157x130.840x103 0.001523 0.734x1030469x101 0257×103-0188x100220×10 -0.001551-0.8%68x103-0.185×1030,498×100.001181 LS-DYNA user in可t S-DYNA user input 图5一端固支一端较支钢筋混凝土梁应变分布.(a）裸梁：(b)刚性防护：(c）柔性防护：(d)复合防护 Fig.5 Strain contours of reinforced concrete beams fixed at one end and hinged at the other end:(a)unprotected beam:(b)rigid protection:(e) flexible protection:(dcomposite protection 速度峰值分别为110.89、100.21、83.21和70.25mm· 表2可知：对于刚性、柔性或复合防护，在两端固支条 ms2.相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 件下，冲击响应中位移峰值和加速度峰值的抑制效果 加速度峰值分别减少了9.6%、25.0%和36.6%. 最好，但冲击力峰值的抑制效果相差较小；在两端铰支 3约束影响分析 条件下，对于刚性、柔性或复合防护，除冲击响应中加 速度峰值的抑制效果远优于一端固支、一端铰支的情 根据上述计算结果，结合不同约束条件和防护措 况以外，其余位移峰值和冲击力峰值的抑制效果两种 施，不同约束条件下的抗撞效果汇总如表2所示.由 约束条件下相差不大 表2不同约束条件下的抗撞效果对比 Table 2 Comparison of crashworthy effect under different constraint conditions o 位移峰值减少比例 加速度峰值减少比例 冲击力峰值减少比例 约束条件 刚性 柔性 复合防护 刚性 柔性 复合防护 刚性 柔性 复合防护 两端固支 9.7 16.0 22.4 59.1 65.1 82.7 4.0 12.1 25.5 两端较支 5.5 10.7 13.4 50.8 61.0 69.2 4.6 20.4 23.0 一端固支，一端较支 4.8 10.8 16. 9.6 25.0 36.6 5.5 19.9 21.3 4结论 防护梁的抗撞性能进行了数值模拟，以研究梁端约束 形式可能对最终防护效果的影响.通过观测碰撞后梁 结合不同的防护措施，本文针对钢筋混凝土复合 的位移、加速度和冲击力等指标，可知梁的约束形式对

工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 图 5 一端固支一端铰支钢筋混凝土梁应变分布． ( a) 裸梁; ( b) 刚性防护; ( c) 柔性防护; ( d) 复合防护 Fig． 5 Strain contours of reinforced concrete beams fixed at one end and hinged at the other end: ( a) unprotected beam; ( b) rigid protection; ( c) flexible protection; ( d) composite protection 速度峰值分别为 110. 89、100. 21、83. 21 和 70. 25 mm· ms － 2 ． 相较于裸梁，刚性防护、柔性防护和复合防护的 加速度峰值分别减少了 9. 6% 、25. 0% 和 36. 6% ． 3 约束影响分析 根据上述计算结果，结合不同约束条件和防护措 施，不同约束条件下的抗撞效果汇总如表 2 所示． 由 表 2 可知: 对于刚性、柔性或复合防护，在两端固支条 件下，冲击响应中位移峰值和加速度峰值的抑制效果 最好，但冲击力峰值的抑制效果相差较小; 在两端铰支 条件下，对于刚性、柔性或复合防护，除冲击响应中加 速度峰值的抑制效果远优于一端固支、一端铰支的情 况以外，其余位移峰值和冲击力峰值的抑制效果两种 约束条件下相差不大． 表 2 不同约束条件下的抗撞效果对比 Table 2 Comparison of crashworthy effect under different constraint conditions % 约束条件 位移峰值减少比例 加速度峰值减少比例 冲击力峰值减少比例 刚性 柔性 复合防护 刚性 柔性 复合防护 刚性 柔性 复合防护 两端固支 9. 7 16. 0 22. 4 59. 1 65. 1 82. 7 4. 0 12. 1 25. 5 两端铰支 5. 5 10. 7 13. 4 50. 8 61. 0 69. 2 4. 6 20. 4 23. 0 一端固支，一端铰支 4. 8 10. 8 16. 9. 6 25. 0 36. 6 5. 5 19. 9 21. 3 4 结论 结合不同的防护措施，本文针对钢筋混凝土复合 防护梁的抗撞性能进行了数值模拟，以研究梁端约束 形式可能对最终防护效果的影响． 通过观测碰撞后梁 的位移、加速度和冲击力等指标，可知梁的约束形式对 · 462 ·

杨润林等：约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 ·265· 结构动力反应蜂值的抑制效果影响显著.总体上，在 B]Her S C.Liang Y C.The finite element analysis of composite lam- 相同的防护条件和冲击条件下，两端固支梁的防护效 inates and shell structures subjected to low velocity impact. 果最好，位移、加速度和冲击力峰值均可被大幅减少. Compos Struct,2004,66(1-4):277 4]Nguyen MQ,Jacombs SS.Thomson R S,et al.Simulation of impact on sandwich structures.Compos Struct,2005,67(2): 参考文献 217 [5]Jiang D Z,Shu D W.Local displacement of core in two-ayer [1]Tian Z M,Zhang X B,Du X L.Conceptual design of important sandwich composite structures subjected to low velocity impact. buildings to mitigate terrorist explosion attacks.China Cir Eng J, Compos Struct,2005,71(1)53 2007,40(1):34 [6]Gorfain J E,Key CT.Damage prediction of rib-stiffened compos- (田志敏，张想柏，杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念设 ite structures subjected to ballistic impact.Int J Impact Eng, 计.土木工程学报，2007,40(1)：34) 2013,57:159 2]Du X L.Liao W Z,Tian Z M.et al.State-oftthe-art in the 7]Yang R L,Tang C M,Meng X.Strategy for explosion-tesistant dynamic responses and blast resistant measures of the buildings calculation and protection of building structures.Build Sci,2009, under explosive loads.JBeijing Unir Technol,2008.34(3):278 25(9):82 (杜修力，廖维张，田志敏，等.建（构）筑物动力响应与防护措 (杨润林，唐曹明，孟霞.结构抗爆计算分析与防护策略。建筑 施研究进展.北京工业大学学报，2008,34(3)：278) 科学，2009,25(9)：82)

杨润林等: 约束形式对钢筋混凝土复合防护梁抗撞性能的影响 结构动力反应峰值的抑制效果影响显著． 总体上，在 相同的防护条件和冲击条件下，两端固支梁的防护效 果最好，位移、加速度和冲击力峰值均可被大幅减少． 参 考 文 献 ［1］ Tian Z M，Zhang X B，Du X L． Conceptual design of important buildings to mitigate terrorist explosion attacks． China Civ Eng J， 2007，40( 1) : 34 ( 田志敏，张想柏，杜修力． 防恐怖爆炸重要建筑物的概念设 计． 土木工程学报，2007，40( 1) : 34) ［2］ Du X L，Liao W Z，Tian Z M，et al． State-of-the-art in the dynamic responses and blast resistant measures of the buildings under explosive loads． J Beijing Univ Technol，2008，34( 3) : 278 ( 杜修力，廖维张，田志敏，等． 建( 构) 筑物动力响应与防护措 施研究进展． 北京工业大学学报，2008，34( 3) : 278) ［3］ Her S C，Liang Y C． The finite element analysis of composite lam￾inates and shell structures subjected to low velocity impact． Compos Struct，2004，66( 1--4) : 277 ［4］ Nguyen M Q，Jacombs S S． Thomson Ｒ S，et al． Simulation of impact on sandwich structures． Compos Struct，2005，67 ( 2 ) : 217 ［5］ Jiang D Z，Shu D W． Local displacement of core in two-layer sandwich composite structures subjected to low velocity impact． Compos Struct，2005，71( 1) : 53 ［6］ Gorfain J E，Key C T． Damage prediction of rib-stiffened compos￾ite structures subjected to ballistic impact． Int J Impact Eng， 2013，57: 159 ［7］ Yang Ｒ L，Tang C M，Meng X． Strategy for explosion-resistant calculation and protection of building structures． Build Sci，2009， 25( 9) : 82 ( 杨润林，唐曹明，孟霞． 结构抗爆计算分析与防护策略． 建筑 科学，2009，25( 9) : 82) · 562 ·