·414 工程科学学报，第41卷，第3期 3.2碰撞刚度 2.0 ☑弹簧刚度20MN·m 根据对轴压力的讨论可知，冲击体冲头刚度能 图弹簧刚度200MN·m 够显著影响钢筋混凝土柱的破坏模式.图11C5~ 网弹簧刚度20O0MN,m 刚性体 C7为弹簧刚度分别为20、200和2000MN·m-时钢 筋混凝土墩柱的损伤云图.可以看出，墩柱损伤程 10 8父 度随着弹簧刚度的增加而加重.当弹簧刚度为20 MN·m时，墩柱的损伤主要分布在柱根部迎撞面 0.5 和碰撞点背撞面，此时弯曲变形起主导作用.然而， 当弹簧刚度超过200MN·m-'时，墩柱的破坏状态与 中量初始动量 耗能/初始动量 刚性质量块撞击时类似，损伤主要集中在碰撞点下 系统变量 方部位，此时墩柱基本丧失承载能力.图12为不同 图13冲量、耗能分别与初始动量、动能的比值 弹簧刚度时冲击体产生的碰撞力时程曲线.弹簧刚 Fig.13 Ratios of the impulse to the initial momentum and the inter- 度为20MN·m'的冲击体产生的碰撞力基本呈半正 nal energy to the initial kinetic energy 弦分布，碰撞力峰值远小于刚性冲头产生的碰撞力 和冲击质量的增加，墩柱的损伤程度逐渐加重.当 峰值，且碰撞力持时偏长.当冲头刚度较小时，冲击 初始冲击动能较小时，墩柱在撞击位置背撞面和根 体的初始动能首先转变为弹簧的应变能，然后随着 部迎撞面均出现了比较严重的受拉损伤.当冲击动 碰撞过程逐渐转变为墩柱的内能.此时结构以整体 能过大时，冲击作用会造成墩柱碰撞点下方部位发 响应为主，从而降低了碰撞点附近柱体发生局部冲 生严重的剪切破坏.图14为不同工况下碰撞力峰 剪破坏的概率 值与冲击体初始动能的关系.从图中可知，当初始 20 动能保持不变时，碰撞力峰值随冲击质量的增加而 弹簧刚度20MN·m ---弹簧刚度200MN·m 减小，且碰撞力一初始动能曲线的切线斜率随冲击 -弹资刚度2000MN·m4 一·一·刚性体 质量的减小而增大 1o2 20 40 60 100 ■一冲击质量5t 时间/ms ◆一冲击质量101 图12碰撞刚度对碰撞力影响对比 ▲一冲击质量20t 一膏一冲击质量301 Fig.12 Effect of impact stiffness on the impact force 500 100015002000 2500 图13为不同碰撞刚度时碰撞力冲量与初始动 初始动能J 量、墩柱耗能与冲击体初始动能的比值。通过比较 图14碰撞力峰值与初始动能的关系 可知，碰撞力冲量均大于冲击体初始动量，墩柱的耗 Fig.14 Relationships of peak impact force and initial kinetic energy 能则略小于冲击体的初始动能。值得注意的是，弹 图15为不同工况时墩柱各部分材料耗能与初 簧刚度为20MN·m的冲击体碰撞冲量约是初始动 始动能的比值.随着初始动能的增加，墩柱耗能比 量的1.9倍，同时墩柱的耗能仅是初始动能的 例由于非线性程度加重而逐渐增加.与小尺寸钢筋 22%.可见，冲击体的初始动能在碰撞后期通过弹 混凝土构件不同，冲击荷载下大尺寸构件主要依靠 簧的传递作用再次转换为冲击体的动能.因此，通 混凝土材料的塑性变形来消耗初始动能.当初始动 过设置弹性防护装置可以在一定程度上减小碰撞力 能相同时，随着冲击速度的增加，混凝土耗能增加， 峰值和构件塑性耗能，进而减小钢筋混凝土墩柱的 纵筋耗能相对减小，而箍筋耗能增加，反之亦然.这 损伤 一现象表明，冲击速度的增加更易导致墩柱的剪切 3.3初始冲击动能 破坏，冲击质量的增加则会导致墩柱的弯剪破坏或 不同初始冲击动能下钢筋混凝土墩柱的损伤分 弯曲破坏.以工况C11和C18为例，两者的初始动 布如图11C2和C8~C18所示所示.随着冲击速度 能分别为1562.5kJ和1500kJ,但是破坏形态相差工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 3. 2 碰撞刚度 根据对轴压力的讨论可知，冲击体冲头刚度能 够显著影响钢筋混凝土柱的破坏模式． 图 11 C5 ～ C7 为弹簧刚度分别为 20、200 和 2000 MN·m － 1时钢 筋混凝土墩柱的损伤云图． 可以看出，墩柱损伤程 度随着弹簧刚度的增加而加重． 当弹簧刚度为 20 MN·m － 1 时，墩柱的损伤主要分布在柱根部迎撞面 和碰撞点背撞面，此时弯曲变形起主导作用． 然而， 当弹簧刚度超过 200 MN·m － 1时，墩柱的破坏状态与 刚性质量块撞击时类似，损伤主要集中在碰撞点下 方部位，此时墩柱基本丧失承载能力． 图 12 为不同 弹簧刚度时冲击体产生的碰撞力时程曲线． 弹簧刚 度为 20 MN·m － 1的冲击体产生的碰撞力基本呈半正 弦分布，碰撞力峰值远小于刚性冲头产生的碰撞力 峰值，且碰撞力持时偏长． 当冲头刚度较小时，冲击 体的初始动能首先转变为弹簧的应变能，然后随着 碰撞过程逐渐转变为墩柱的内能． 此时结构以整体 响应为主，从而降低了碰撞点附近柱体发生局部冲 剪破坏的概率． 图 12 碰撞刚度对碰撞力影响对比 Fig． 12 Effect of impact stiffness on the impact force 图 13 为不同碰撞刚度时碰撞力冲量与初始动 量、墩柱耗能与冲击体初始动能的比值． 通过比较 可知，碰撞力冲量均大于冲击体初始动量，墩柱的耗 能则略小于冲击体的初始动能． 值得注意的是，弹 簧刚度为 20 MN·m － 1的冲击体碰撞冲量约是初始动 量的 1. 9 倍，同时墩柱的耗能仅是初始动能的 22% ． 可见，冲击体的初始动能在碰撞后期通过弹 簧的传递作用再次转换为冲击体的动能． 因此，通 过设置弹性防护装置可以在一定程度上减小碰撞力 峰值和构件塑性耗能，进而减小钢筋混凝土墩柱的 损伤． 3. 3 初始冲击动能 不同初始冲击动能下钢筋混凝土墩柱的损伤分 布如图 11 C2 和 C8 ～ C18 所示所示． 随着冲击速度 图 13 冲量、耗能分别与初始动量、动能的比值 Fig． 13 Ｒatios of the impulse to the initial momentum and the inter￾nal energy to the initial kinetic energy 和冲击质量的增加，墩柱的损伤程度逐渐加重． 当 初始冲击动能较小时，墩柱在撞击位置背撞面和根 部迎撞面均出现了比较严重的受拉损伤． 当冲击动 能过大时，冲击作用会造成墩柱碰撞点下方部位发 生严重的剪切破坏． 图 14 为不同工况下碰撞力峰 值与冲击体初始动能的关系． 从图中可知，当初始 动能保持不变时，碰撞力峰值随冲击质量的增加而 减小，且碰撞力--初始动能曲线的切线斜率随冲击 质量的减小而增大． 图 14 碰撞力峰值与初始动能的关系 Fig． 14 Ｒelationships of peak impact force and initial kinetic energy 图 15 为不同工况时墩柱各部分材料耗能与初 始动能的比值． 随着初始动能的增加，墩柱耗能比 例由于非线性程度加重而逐渐增加． 与小尺寸钢筋 混凝土构件不同，冲击荷载下大尺寸构件主要依靠 混凝土材料的塑性变形来消耗初始动能． 当初始动 能相同时，随着冲击速度的增加，混凝土耗能增加， 纵筋耗能相对减小，而箍筋耗能增加，反之亦然． 这 一现象表明，冲击速度的增加更易导致墩柱的剪切 破坏，冲击质量的增加则会导致墩柱的弯剪破坏或 弯曲破坏． 以工况 C11 和 C18 为例，两者的初始动 能分别为 1562. 5 kJ 和 1500 kJ，但是破坏形态相差 · 414 ·