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An experimental investigation on the effect of steel reinforcement on impact response of reinforced concrete plates
钢筋加固对混凝土板加固影响的实证研究
H. Othman, H. Marzouk
Department of Civil Engineering, Ryerson University, Toronto, ON, Canada
摘要：
本文基于实证调查来收集基本数据以理解钢筋加固对混凝土加固的动态影响。使用自由落体低速冲击技术测试五类高强度混凝土(HSC)板块。同时进行10种影响测试，包括两个标本测试。通过从常数为4.15米的高度减少475公斤的钢铁重量来将影响因子应用于HSC板的中点。两个调查参数即：主要底部钢筋率(1.0, 2.0, 3.0%)；钢筋布置(单或双钢筋板)。顶部的双钢筋板保持不变，收缩钢筋直径是10毫米，间距为210毫米。实验结果主要关注冲击力的特点和钢筋混凝土板的影响行为。测试程序成功地提供了简单的方法来验证使用测试设置定理的影响。结果表明，配筋率的变化和/或钢筋布置对脉冲没有显著的影响，同时能够吸收相同负荷值条件。另外本文发现裂纹模式和失效模式更依赖于钢筋布置而非配筋率。
1 引言
近些年来，设计一些结构来抵抗静态和低速冲击负荷已成为越来越明显的趋势。土木工程是低速度高质量及速度冲击荷载条件10 m / s的常见影响场景。典型的低速冲击场景包括运输结构受到车辆碰撞、机场跑道平台在飞机降落和海上结构物受到冰和/或船的影响。此外，龙卷风等自然灾害引起的动态加载和地震也与低速度存在影响。
尽管大量实证研究已研究了已进行钢筋混凝土(RC)组成部分的影响行为，最早的研究大部分是与军事和核行业相关的。在这些调查中，撞击器体积小但却触及巨大的目标，其速度高达40-300 m / s。在这种类型的影响下会在很短的时间内加载脉冲行为，这比结构部件振动的自然周期可能更短一个或两个数量级。结果是，整个组件没有时间做出反应，导致梁或板局部冲或钟形形式喷射锥失败。但是由此产生的裂缝模式和位移图显示了弯曲和剪切遭到破坏。对影响高速度大于1000 m / s而言，只有本地开发会失败。已有文献中能够找到更多关于高速冲击的细节[1, 2]。值得提及的是这些调查结果通常以形式的抗冲击经验公式为主，几乎是定性的[1]。此外，没有标准的测试技术冲击荷载条件[3]。因此，大多数发达国家经验公式的实验调查适用于一定条件和负荷范围[1, 4]。
钢筋混凝土构件受到负荷影响是设计概念，这对于土木工程师而言尚未完全开发。此外，目前的设计规范没有提出明确的方法来分析和预测在RC组件影响可能的失效模式。结果，数个机械化低速冲击试验已经开展，旨在了解RC组件的动态响应以及使用验证数值研究生成的测试数据， 特别是落锤冲击试验[4-11]。这些已进行的钢筋混凝土板低速冲击试验研究显示：冲剪是占主导地位的失败模式(4, 7-9)；冲压能力的影响是静态影响的两倍[8]；支持条件对钢筋混凝土板的故障模式、影响能力和最大冲击力具有有限影响[8, 10, 11]；板厚度对影响能力和最大冲击力有显著影响[10]，配筋率对控制剥落有显著的影响[9]。另一方面，配筋率几乎没有影响最大冲击力[10]。
高强度混凝土是全球主要的胶结建筑材料之一。因此，它产生了数个结构。这种结构大多受低速冲击负荷条件影响。例如，在北海有18个HSC海上平台受到负荷冲击从而造成离岸操作期间的高事件重物下降，供应以及船舶和/或冰碰撞。本文介绍了组织良好的细节和装备试验研究，旨在调查钢筋分布对冲击力和HSC的影响特点，行为以及生成精度影响测试数据以应用于之后的数值调查验证。
2 实证调查
2.1 材料
本研究中使用的混凝土混合物是高强混凝土及抗压强度为80 MPa。这个矩阵包括普通硅酸盐水泥、石英岩砂岩、最大尺寸14毫米的花岗岩石子，6%硅灰、水泥和水：比为0.35。这个矩阵是基于Marzouk的研究[12]。为了有相同的具体属性，所有标本都在同一时间使用单一混凝土搅拌；所有标本都是以同样的程序并在湿麻袋、塑料为7天。之后，所有的标本被放置在空气干燥的实验室，直到测试56天后。CSA标准400级要求螺纹钢用作纵向钢筋[13]。三种典型大小的10米，15米，20米用于强化本研究的标本。表1总结了几何和材料特性。表中的每个数据点取三个标本的平均数。机械性能测试包括：混凝土标准气缸压缩和弯曲的棱镜，钢筋测试。
2.2 取样
五个薄HSC板块构造相同维度及钢筋间距在自由下落低速冲击试验中测试。1950 平方毫米板块厚度为100毫米。为了解决钢筋分布的影响，本文研究了两个参数即：主要底部钢筋率(1.0, 2.0, 3.0%)；钢筋布置(单或双钢筋板)。主要底部钢筋比率的变化是通过增加条形大小而钢筋间距保持不变，为100毫米。单和双钢筋板块构造与主要底部钢筋相同。对双钢筋板而言，上层钢筋保持不变，CSA标准间隔为210毫米，10米条形作为最小的强化值。所有标本都旨在测量中点静态加载条件下弯曲破坏模式与弯曲修剪能力0.3到0.9不等的比率。表2给出了个别标本的细节强化和静态弯曲和剪切能力。使用传统的预测方程预测静态弯矩能力和冲剪计算执行能力。CSA A23.3之后是估计最终的静态弯矩和冲剪板的极限荷载[13]。此外，名义弯曲加载估计使用屈服线理论[14]。车牌的识别，维度，强化细节，横截面如图1所示。
2.3 测试设备
落锤冲击框架系统由瑞尔森大学生设计和制造，自由落体冲击条件与目标容量为19.30 kJ。设置和测试配置的示意图见图2。所有的标本都是在相同的加载和支持条件下测试。标本受到中点和支撑在四个角的影响。选择角落支持减少反应部队特定点的测量即角落。为了确保达到标本的中点，塔与四个垂直钢轨道框架用于指导质量。两个影响是由一个常数下降475公斤高度为4.15米，结果为9米/秒速度理论的影响。落锤取消使用电子起重机所需的高度。电磁铁的能力为600公斤(图2)附着在起重机用于释放的落锤关掉磁铁上。
灌装生产400毫米平方中空钢结构(HSS)及750毫米高的混凝土确定了落锤质量。两个25平方毫米厚钢板焊接着顶部和底部的高速钢节结束帽。表面是400times;400毫米的尺寸，平且光滑。值得注意的是落锤对失效模式下的动态响应是引人注目的[5]。自使用阻尼材料无意中减少了应变率在接触区没有使用阻尼材料以来的测试。
Soleimani Banthia[15]的研究表明，支持负载部分反应记录的两个相同的测试对防止垂直运动影响是完全不同的。另一方面，垂直运动受限于良好的协议。因此，隆起或垂直运动支持点必须限制。在这项研究中，每一个角落隆起是避免使用一种特殊的系紧钢架固定两端的强有力的地板实验室(图2)。这种方法经常被使用在之前大多数的冲击测试(4-15)。系紧系统允许足够的旋转对混凝土构件，最高为5°。
为了进行精度影响测试，本研究配备了先进的仪器。根据牛顿第二定律两个(plusmn;20000 g)加速度计安装在落锤，下降的冲击力由兴奋钢重量决定。使用由基斯特勒公司生产的9081型仪器四个动态石英负载部件650 kN的能力测量反应。使用日本基恩士模型中点位移测量IL - 300非接触式激光位移传感器能否精确测量的位置或位移标本。激光位移是用来避免损伤位移传感器与物理连接的标本(如电位计和线性)。日本基恩士IL - 300传感器有一个波长为655 nm和290毫米测量范围的半导体激光。应变仪是用来确定大小和钢筋的应变率。两个应变片贴在底部表面主要纵向钢筋标本在两个方向上的中点。原始获得数据记录使用数字动态数据采集系统经济学模型mi - 7008有八个通道动态分析仪、信号分析仪用于数据分析。系统提供的是300 MHz抽样IEPE传感器的数据捕获、回放、冲击记录、分析和软件处理。在这次调查中，数据最可能有大的振幅和频率含量高加速度和反应力。因此，收集到的数据从加速计和负载细胞在100千赫采样。另一方面，位移和应变较低频率的内容自然是5 kHz的采样速率。此外， 使用高速摄像机的帧率3500 fps 704times;704像素的分辨率影响事件记录。特殊的图像分析软件追踪R[16]是用于分析记录视频和计算初始冲击速度，反弹速度和减重和测试区板之间的接触时间。测试后，所有标本都是视觉检查和裂缝模式标本的表面上开发标记。
2.4 数据评估与筛选
实验数据必须进行检查，以确保它们是有效且尽可能准确的。特别地，原始加速度计数据噪声和包含高频使加速度数据难以解释。在这项研究中，评价和筛选加速度计数据的过程包括三个步骤。具体如步骤3和4，可以概括如下：
(1)质量检查或数据评估，原始的加速度数据集成到使用初始条件即速度曲线。如初始冲击速度。获得的反弹速度和影响时间是从记录的视频图像分析中提取的值。如果集成加速度不生产速度曲线，这意味着数据损坏，数据必须被抛弃。在这个阶段忽视两个加速度计读数，一个在影响事件(HS-1-D-1)，另一个在其他影响事件(HS-3-D-2)。
为了演示加速度数据的合理性，对落锤加速度数据的影响事件HS-3-D-2进行了讨论。图3显示了速度加速度的原始数据和曲线积分加速度的原始数据。如图所示的速度为正向的2.10 m / s(向上)，反弹速度，总时间为29.98，这是时间的影响。这些值非常接近获得记录的视频图像分析报告，如表4所示。
(2)加速度计数据过滤使用二阶巴特沃斯低通滤波器。过滤器是在使用内置应用MATLAB filtfilt 命令不转变的时间阶段[17]。截止频率范围从1.25千赫至5.0千赫检查选择合适的截止频率， 在过滤数据之后没有产生预期的效果。
(3)从原始数据与他人产生的过滤数据来调查截止频率，速度曲线。这个调查的主要思想是，如果选择的截止频率扭曲了速度跟踪，这意味着实际物理数据过滤[18]。
如图4所示的每个过滤加速度综合得到相应的速度响应。如图所示的速度响应通过集成2.5和5.0 kHz过滤加速度遵循从原始加速度数据获取的速度响应很好。然而，很明显，速度响应集成1.25 kHz过滤获得的加速度扭曲了原来的原始数据的速度。这意味着物理数据过滤。在这个调查，产生的过滤时间历史响应2.5千赫截止证明是最成功的过滤高频振荡(图4 b)。
3 结果及讨论
表3报道的峰值测量以及在相应的时间进行冲击实验。冲击力决定两个(plusmn;20000 g)加速度计安装在落锤使用的平均时间。报道峰值反应的最大总反应由测量四个负载部件自反应部队从负载细胞反应的四个角落支持，通常是相似的大小和时间响应加法。峰值位移最大中点位移测量传感器非接触式激光(日本基恩士IL- 300)。值得注意的是显示位移和钢第二次冲击试验代表事件的应变测量，不包括从第一冲击试验剩余价值的积累。在以下部分中提出了更多细节和选择的结果描述的反应，说明主要配筋率和钢筋布置的影响。
3.1 冲击力的特点
所有板块的影响和总反应预测时间通常如图5所示。比较反应的冲击力，很明显，峰值振幅的影响大于反应的力量。冲击力的原因是大多数是是用来平衡惯性力或加速板，虽然冲击力的一小部分用于变形和断裂的标本。此外， 最大冲击力和最大反应之间有一个时间间隔。这段时间延迟是由于应力波传播旅游影响区域的支持。这些观察可以发现还在引用6，7和15。峰的影响和反应力和相应的时间响应在表3中列出。
表4总结了特征值的影响力量。报道影响速度V0(下行是负的)，反弹速度Vb(积极向上)，影响接触时间Td使用记录的视频图像分析计算。此外，接触时间验证Td利用落锤加速度计读如前所述。
本文报道动量的值的变化影响的实例。动量的变化计算Delta;M落锤的产品质量和速度的变化的即时影响(mtimes;(V0minus;Vb))。报道脉冲冲击力的Ip是集成的。吸收能量Eab集成力-位移曲线的影响。输入动能Ek最大动能(1/2 mV02)是即时的影响。
测试板都是影响权重475公斤，常数4.15米高度的自由落体。这意味着所有板块受到相同的名义上的影响。都会定理州脉冲等于动量的变化[19]。因此，预计所有影响测试具有相同的冲动。图6显示了所有影响测试的冲动而名义改变动量。名义改变动量计算使用的理论初始和反弹速度minus;9.0 2.2 m / s。可以看出，冲动是等于动量的变化及其无论纵向钢筋比例，强化安排，或扩展板的损伤大小不改变。应该提到的验证测试设置的影响，使用仪器，和过滤过程的最大区别的冲动和实际改变动量等于6%(参见表4)。
对所有影响测试的批准都会接触时间 (表4)，图7显示了主要配筋率和钢铁之间的接触时间在减重和标本测试区内的影响。测量趋势时观察到接触时间减少配筋率增加为两种类型：单、双钢筋。此外， 相比第一个(完整的板)，第二滴(损坏的板)接触时间更长的时间。这表明接触时间与板的刚度板与钢筋布置成反比。
基于以上观察，最大冲击力幅值和相应的接触时间受到试件刚度的影响。冲击力的最大振幅较大和相应的接触时间对标本与高刚度较小，反之亦然。
主要的配筋率的影响和钢铁安排在吸收能量如图8所示。此外，被吸收的能量的值在表3中列出所有影响测试。由于落锤之间的摩擦和指南动能的能量吸收比图8中使用的能量损失。被吸收的能量估计使用力-位移曲线下的面积影响和输入动能决定使用初始冲击速度(表4)从图像分析获得记录的视频，可以看出能源比例值分布在该地区从0.44到0.52，增加纵向钢筋比率影响有限的被吸收的能量影响的测试，同样受到冲击荷载条件的影响。
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