大型钢筋混凝土板冲击试验与几何缩放方法的实验验证

《Nuclear Engineering and Design》：Large-scale impact tests with reinforced concrete plates for impact safety

　　

本研究旨在通过大型冲击试验，评估钢筋混凝土板在冲击荷载下的行为，并检验几何缩放方法的有效性。研究人员采用落锤装置，对尺寸为3.0?m?×?3.0?m?×?0.4?m的大型钢筋混凝土板进行了自由落体冲击试验，冲击器质量为404?kg，落高9.5?m，冲击速度约13.65?m/s，动能约37?kJ。试验基于Sugano等人提出的相似律，采用缩放因子φ?=?2.0，将实验室尺度的小型试件放大至大型试件。研究人员利用高速三维数字图像相关技术（3D Digital Image Correlation, 3D-DIC）、激光位移传感器、加速度计及自制荷载传感器（Load Cells, LCs）等设备，全面记录了冲击过程中的位移、冲击力和支座反力等动态响应数据。试验结果显示，板顶面仅产生轻微压痕（深度约6–8?mm），而底面出现明显的剥落（scabbing）和剪切破坏锥体，最大直径约1.7?m，脱落混凝土质量约42.5?kg。冲击力峰值约7540?kN，出现在约0.5?ms；支座反力峰值约2128?kN，出现在约8?ms；板底中心最大位移约39.7?mm，出现在约9?ms。研究表明，几何缩放方法在中尺度实验室条件下能够有效再现冲击损伤特征，但需结合整体弯曲刚度和惯性效应进行综合评估。该试验为大型冲击荷载下钢筋混凝土结构的响应提供了宝贵的数据基础，有助于未来数值模型的校准与验证。

研究背景与问题

自1977年以来，飞机撞击已成为核电站设计中的关键荷载场景。大量研究分析了钢筋混凝土结构在冲击荷载下的行为。由于大型试验成本高昂且耗时，近年来的研究倾向于采用中小型实验室试验，以便涵盖更广泛的试验参数。然而，实验室试件的尺寸远小于实际结构，因此需要通过缩放方法将实验室结果外推至真实尺度。Sugano等人提出的几何缩放方法是目前最常用的方法之一，但其应用仍存在诸多不确定性，特别是材料非线性（如混凝土开裂、应变率依赖性、损伤与断裂过程以及接触与摩擦效应）无法被充分捕捉。此外，重力加速度、温度等物理参数无法缩放，材料强度、弹性模量及应变率相关特性也必须保持相同，这在实践中难以实现。因此，有必要通过大型试验对缩放方法进行校准和验证，以提高大型结构在冲击荷载下的安全性和可靠性。

研究内容与结论

本研究基于德累斯顿工业大学（TUD/IMB）和联邦材料研究与测试研究所（BAM）的前期工作，采用缩放因子φ?=?2.0，设计了大型钢筋混凝土板试件（3.0?m?×?3.0?m?×?0.4?m），并在BAM的技术安全试验场（TTS）进行了落锤冲击试验。试验采用自由落体方式，冲击器为硬化钢制圆柱体，质量404?kg，落高9.5?m，冲击速度约13.65?m/s，动能约37?kJ。试验结果表明：板顶面仅产生轻微压痕（深度6–8?mm），而底面出现明显剥落和剪切破坏锥体，最大直径约1.7?m，脱落混凝土质量约42.5?kg。冲击力峰值约7540?kN，出现在约0.5?ms；支座反力峰值约2128?kN，出现在约8?ms；板底中心最大位移约39.7?mm，出现在约9?ms。研究证实，几何缩放方法在中尺度实验室条件下能够有效再现冲击损伤特征，但整体损伤模式是局部剪切破坏与整体弯曲行为的叠加，惯性效应对结构响应具有显著影响。

重要意义

本研究成功实施了一次大型钢筋混凝土板的冲击试验，提供了全面的实验数据集，用于描述冲击荷载下的结构响应和损伤发展。试验结果为缩放方法的评估提供了关键依据，并补充了现有小型试验数据库，为数值模拟的对比和验证提供了宝贵的参考数据。同时，研究指出单一试验的结论有限，需进一步开展更多试验并与小型参考试验直接对比，以全面评估缩放方法的适用性。

关键技术与方法

1. 1.
   几何缩放方法：基于Sugano等人提出的相似律，采用缩放因子φ?=?2.0，将实验室尺度试件（1.5?m?×?1.5?m?×?0.2?m）放大至大型试件（3.0?m?×?3.0?m?×?0.4?m），所有几何参数（板厚、边长、钢筋直径与间距、保护层厚度、骨料最大粒径等）均按比例缩放。
2. 2.
   落锤装置：使用BAM柏林18?m高的落锤塔，通过重力加速释放冲击器，最大提升能力55?吨，最大落高18?m，对应最大速度约16.6?m/s。
3. 3.
   高速三维数字图像相关技术（3D-DIC）：使用两台高速相机（5000帧/秒）对冲击器、板顶面和钢框架进行三维摄影测量，获取位移和变形数据。
4. 4.
   荷载传感器（Load Cells, LCs）：在板四角安装自主研发的10?MN量程荷载传感器，采用应变片（常规康铜应变片和半导体应变片）双电路设计，测量支座反力。
5. 5.
   激光位移传感器与加速度计：在板底安装两个三角测量激光传感器（L1、L2）和加速度计，测量板底全局变形和局部损伤位移。
6. 6.
   冲击力测量环：在冲击器尖端安装带有应变片的测量环，量化冲击力。
7. 7.
   3D激光扫描：使用Carl Zeiss GOM Metrology GmbH的“T-SCAN Hawk”便携式3D激光扫描仪，对试验前后板表面进行数字化扫描，精度达0.02?mm?±?0.015?mm/m，用于精确测量损伤形貌。

研究结果

4.1 位移测量

通过DIC测量，板顶面靠近冲击点的P-06和P-07点最大变形仅约10?mm，发生在24?ms内，永久残余变形约2–3?mm。激光传感器L1（板底中心）测得最大位移39.7?mm，出现在约9?ms，随后板开始回弹，至19?ms时位移降至约10?mm。L2（板底边缘中点）最大位移约5.3?mm，反映纯弯曲行为。冲击器位移在约7?ms后保持恒定约12.5?mm，表明此时发生剪切破坏，内部断裂体形成，冲击器由上部未破坏混凝土支撑。

4.2 冲击力与支座反力

冲击器尖端应变片测得的冲击力峰值约7540?kN，出现在约0.5?ms，作用时间仅约1?ms，力曲线平滑无非线性波动。初始动量计算为5514.6?kg·m/s，通过积分冲击力曲线确认该值在约2?ms达到。DIC测量显示冲击器速度在约1.9?ms降至接近零，对应动量完全传递。支座反力（四个荷载传感器之和）在约1?ms后才开始显著变化，初期因惯性出现微小拉力，约4?ms后快速上升，峰值约2128?kN出现在约8?ms，略早于最大位移时刻。之后结构振荡，出现第二个较小峰值。支座反力历史包含冲击器（404?kg）的惯性力，冲击器在24?ms后才开始反弹，表明此次冲击属于完全塑性冲击。

4.3 损伤模式详细分析

板顶面仅见直径200?mm的圆形压痕，深度6–8?mm，无剥落，仅边缘和侧面出现径向弯曲裂缝。板底面出现明显剥落和剪切破坏锥体，最大直径约1.7?m，脱落混凝土质量约42.5?kg。切割后的截面清晰显示出内部锥形断裂体和水平裂缝（位于上层钢筋下方），证实了剪切破坏。3D扫描显示板顶面最大塑性变形约3?mm，板底面锥体最大垂直塑性变形约20?mm，且锥体不对称，可能源于材料不均匀性或支撑荷载传递偏差。下层钢筋相对于周围混凝土的垂直位移差可达10?mm。

总结与结论

本冲击试验研究了大型钢筋混凝土板在冲击荷载下的承载与损伤行为。试验成功实施了大型冲击试验概念，提供了描述结构响应和损伤发展的全面实验数据集。结果表明，几何缩放方法可应用于中尺度实验室条件，并能清晰呈现相关损伤特征。试验仅造成中等程度损伤：板底面出现轻微裂缝和局部剥落，剪切破坏锥体明显。整体承载行为并非仅由局部冲切破坏决定，板的下层弯曲钢筋发挥了膜作用，阻止了锥体的自由推出，导致损伤模式为局部断裂状态与整体结构行为的叠加。值得注意的是，最大支座反力（约2130?kN）与最大板底中心位移（约40?mm）出现在不同时刻，凸显了惯性效应的显著影响。因此，测量结果不应逐通道独立解读，而应关注力、变形和损伤的时间演化。大型试验使研究人员能够在更接近实际结构尺寸的条件下详细研究钢筋混凝土构件的响应和损伤特征，结果补充了小型试验数据库，为数值模拟的对比和验证提供了宝贵参考。然而，单一试验的结论有限，需进一步开展更多试验并与小型参考试验直接对比，以全面评估缩放方法的适用性，特别是验证缩放因子2.0是否能准确反映几何、边界条件以及损伤模式、力-时程和变形响应。