低速冲击荷载下四边简支钢筋混凝土双向板动力响应及超高性能混凝土板抗冲击性能的试验与数值研究

《Scientific Reports》：Behavior of reinforced high and ultra-high strength concrete slabs under high mass low-velocity impact loading

　　

摘要

钢筋混凝土（RC）结构构件在设计使用年限内可能承受由车辆撞击、重物坠落和爆炸冲击等产生的意外动力荷载。结构构件可能需要承受比典型静力荷载更大强度和烈度的作用力。超高性能混凝土（UHSC）板凭借其卓越的力学性能和耐久性，具有优异的抗压强度和承载能力；然而，其在低速冲击荷载下的响应仍未得到充分研究。本研究的主要目的是建立一个框架，量化板几何形状、边界条件、配筋率、混凝土抗压强度和冲击体参数对最大动态接触力和跨中挠度的影响。本文通过试验和数值研究，对四边简支钢筋混凝土双向板在高质量、低速冲击荷载下的响应进行了系统研究。试验研究评估了10个由普通强度混凝土（NSC）和高强度混凝土（HSC）制成的试件，以评估抗压强度和配筋率对峰值冲击力、破坏模式和位移的影响。此外，在ABAQUS中建立了非线性有限元（FE）模型，并针对试验接触力-时程曲线进行了验证。随后，将验证后的框架扩展应用于数值预测超高性能混凝土板在冲击条件下的动力响应。数值有限元结果表明，超高性能混凝土板具有更强的抗冲击性能，减小了跨中挠度，并增强了抗崩落控制能力。基于有限元参数分析结果，推导了等效静力系数（Equivalent Static Factor），用于预测四边简支超高性能混凝土-钢筋混凝土板在最高达6 m/s低速冲击荷载作用下的最大承载能力。此外，还建立了基于多元回归分析（MRA）的方程，用于估算四边简支超高性能混凝土-钢筋混凝土板在低速冲击荷载作用下的最大冲击力和最大跨中挠度。等效静力系数和多元回归分析方程是基于有限数据集建立的，不适用于设计使用。所建立的预测方程和等效静力系数提供了简化近似方法，用于评估本研究所考察的四边简支钢筋混凝土板在低速（最高达6 m/s）冲击荷载下的抗冲击性能，但在更广泛应用前需要进一步的试验验证。