冲击作用下再生混凝土梁的动力响应研究

The recycled aggregate concrete (RAC) that uses waste concrete as coarse aggregate, has been extensively studied and gradually applied to structure engineering. During their construction stage and service life, structures may experience several impact actions. However, the studies on dynamic responses of RAC structures under impact actions are quite scarce. This research will modify the Continuous Surface Cap Model to make it suitable for dynamic analysis of RAC by considering the influence of the amount of the recycled coarse aggregate (RCA). To achieve the dynamic mechanism and the quantitative evaluation of the RAC beams, drop hammer experiments and finite element analysis on beams with various amounts of RCA and shear-flexural capacity ratios will be conducted under various projectile masses and impact velocities. Consequently, simplified analysis model will be developed to analyze the flexure controlled RAC beams under the drop weight impact action. Furthermore, the yield and critical damage energy of RAC beams with various reinforcement ratios will be analyzed as the performance indexes for the performance-based impact design. This research has important significance in the engineering application and the design method of the RAC. The expected results could be applied to structural engineering with remarkable economic and social benefits.

废弃混凝土作为粗骨料的再生混凝土已被研究并逐步应用于工程结构，工程结构在服役期可能受到各种形式的意外冲击荷载，冲击荷载作用下再生混凝土结构动力响应的现有研究极少。本项目将通过对再生混凝土材料动态本构模型研究，提出考虑取代率影响的再生混凝土连续盖帽本构模型，以适用于再生混凝土构件的动力响应分析；进行不同取代率和剪弯承载力比的再生混凝土梁在不同落锤质量、冲击初速度作用下的落锤试验和有限元分析，获得该梁的动力响应机理、特性，并给出定量评价指标；提出适用于再生混凝土梁在冲击荷载作用下弯曲破坏问题的简化分析模型，为分析该梁在冲击荷载作用下的动力响应提供新方法；分析不同配筋率再生混凝土梁屈服冲击能、临界破坏能，为该梁的抗冲击性能设计提供合理的性能指标。本研究对开拓再生混凝土在工程结构中的应用具有重要意义，对完善再生混凝土结构设计理论和方法有重要价值。预期成果可直接用于工程实践，有显著的经济及社会效益。

本项目研究废弃混凝土作为粗骨料的再生混凝土结构在服役期可能受到的意外冲击作用下的动力响应。研究对取代率分别为0、30%、70%、100%的四种再生混凝土试块进行静力受压试验及SHPB试验，得到与取代率相关的再生混凝土动态强度表达公式。依据所得到的再生混凝土材料动态强度对混凝土连续盖帽本构（CSCM）模型进行修正，并利用有限元程序LS-DYNA验证修正后CSCM模型的合理性。制作四种取代率的再生混凝土梁，分别进行跨中静力加载及跨中落锤试验。对比两种加载方式下再生混凝土梁的不同破坏模态，通过跨中静力加载试验得到再生混凝土梁的弯曲抗力-位移曲线，分析取代率对静力抗弯承载力、刚度的影响；通过跨中落锤试验，考察梁试件的冲击力、位移响应、以及应力状况，分析取代率对梁弯曲耗能能力的影响。在再生混凝土梁静态弯曲抗力的基础上考虑材料应变率效应的增强，修正得到动态弯曲抗力，由梁跨中残余位移计算梁的弯曲耗能能力。对冲击作用下梁试件中的惯性效应进行分析，对冲击物质量和冲击速度进行参数分析，并通过对四种取代率的再生混凝土梁进行连续落锤冲击试验，研究冲击能量和冲量对冲击响应的影响。建立了两自由度质量-弹簧简化分析模型，利用再生混凝土梁落锤冲击试验及相关文献中的钢筋混凝土梁冲击试验以验证简化模型的合理性；并利用简化模型分析屈服速度以研究冲击作用下梁的屈服状态。利用该简化模型并基于变形破坏准则，建立基于位移的再生混凝土梁抗冲击设计流程，并给出防止发生冲击脆性破坏的相关梁设计构造要求。研究成果可为再生混凝土抗冲击响应分析设计提供理论依据和设计思路，对指导混凝土结构抗冲击设计具有重要学术意义，对开拓再生混凝土在工程结构中的应用具有重要的实践意义。