泥石流沖擊作用下的混凝土受載分析

泥石流沖擊作用下的混凝土受載分析

泥石流是山區(qū)獨(dú)特的突發(fā)性自然災(zāi)害。它具有突然、短期、風(fēng)暴、大量淤泥和嚴(yán)重的破壞力。近年來(lái),泥石流災(zāi)害頻繁爆發(fā),而山區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速,山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)及泥石流堆積扇開發(fā)利用中的泥石流防治問(wèn)題愈顯突出。磚混建筑是中國(guó)山區(qū)較為普遍的一種建筑形式,準(zhǔn)確地了解磚混建筑在泥石流沖擊力作用下的破壞形態(tài),探求加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗泥石流沖擊的有效措施具有重要意義。為了展開這方面的研究,中科院成都山地所進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和理論模擬研究工作。對(duì)建筑物受泥石流沖擊力作用產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)直至破壞的研究,在國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中還比較少見。國(guó)內(nèi)魏鴻、沈壽長(zhǎng)、劉雷激、魏華、王兆印等利用水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M泥石流龍頭形成機(jī)制,研究龍頭的沖擊力;中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)研究站對(duì)云南蔣家溝進(jìn)行了多年的觀測(cè),記錄了大量的泥石流沖擊力的實(shí)際資料;在國(guó)外,日本的石川芳治對(duì)分離泥石流隔柵材料進(jìn)行了沖擊荷載實(shí)驗(yàn),主要目的是為防砂壩設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)或材料在沖擊荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究,多數(shù)集中于具有彈塑性質(zhì)的結(jié)構(gòu)或材料,而對(duì)于沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的磚石及砌塊墻體則較少。根據(jù)章書成等人的觀測(cè),泥石流沖擊力是由泥石流漿體動(dòng)壓力和石塊撞擊力兩部分構(gòu)成,這兩部分往往又相互疊加,即在漿體動(dòng)壓力上疊加著大小不同的石塊作用力,其破壞作用就更大。但大石塊的作用有偶然性,本文僅對(duì)漿體動(dòng)壓力部分進(jìn)行模擬計(jì)算和試驗(yàn)。1建筑物的破壞形式為了準(zhǔn)確了解磚混建筑在泥石流沖擊作用下的破壞形態(tài),作者進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)考察,查閱了相關(guān)文獻(xiàn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)在泥石流災(zāi)害中建筑物破壞形式所做的調(diào)查,磚混結(jié)構(gòu)的一般破壞形式有3種,第1種是建筑墻體在泥石流體撞擊下,墻體受彎,出現(xiàn)橫向斷裂,最終導(dǎo)致整體垮塌,如圖1;第2種為墻體被泥石流體中攜帶的大石塊撞擊,造成墻體上出現(xiàn)大的孔洞,在孔洞足夠大或者大石塊較多的情況下,墻體被破壞,如圖2;第3種是,高層建筑物底部墻體或支撐構(gòu)件被破壞,其上部結(jié)構(gòu)失去支撐而垮塌,如圖3所示。2模擬假設(shè)本文擬模擬第1種破壞形態(tài),為了準(zhǔn)確模擬磚混建筑在泥石流沖擊力作用下的動(dòng)態(tài)反應(yīng),需對(duì)擬模擬的原型建筑受力性能及破壞形態(tài)等進(jìn)行理論假定。2.1結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)站對(duì)云南蔣家溝泥石流進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)40a的觀測(cè),積累了翔實(shí)的資料,可用來(lái)作為模擬的基礎(chǔ)資料。本文選取蔣家溝粘性泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文擬模擬一個(gè)云南東川地區(qū)典型3層磚混結(jié)構(gòu)的受力狀況。該建筑根據(jù)現(xiàn)行建筑規(guī)范——砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50003-2001),建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001)設(shè)計(jì),抗震設(shè)防烈度9度,層高2.7m,橫墻間距為2.7m,縱橫墻混合承重,墻體厚度為240mm。一層墻下設(shè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁,每層墻頂設(shè)鋼筋混凝土圈梁,縱橫墻交接處設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱,樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。2.2模擬假設(shè)2.2.1泥石流源頭沖擊建筑物造成的危害根據(jù)實(shí)際觀測(cè)研究,陣流是粘性泥石流的主要運(yùn)動(dòng)形式,它有明顯的頭部、身部和尾部,俗稱為“龍頭”、“龍身”和“龍尾”,而泥石流龍頭沖擊建筑物造成的危害是非常突出的。根據(jù)魏鴻的試驗(yàn)研究,龍頭開始沖擊壩體時(shí),龍頭沖擊力在沿壩高分布的每一相對(duì)高度區(qū)域,從下至上出現(xiàn),歷時(shí)極短。目前泥石流的流速分布問(wèn)題尚未得到解決,在實(shí)際觀測(cè)中,把龍頭看成整體的運(yùn)動(dòng),測(cè)得的流速作為斷面平均流速。因此,假定泥石流龍頭以同一速度均勻作用在建筑物上,即泥石流體對(duì)建筑物的沖擊力是均勻的。2.2.2泥深與石流泥深的關(guān)系根據(jù)中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)站的實(shí)際觀測(cè)資料,蔣家溝粘性泥石流泥深一般在3.5m以下,其中,泥深在2m以下的居多,流速一般在5～10m/s,而流速與泥深一般正相關(guān)。可假定均勻分布的沖擊力作用區(qū)域在2m高度以下,而對(duì)應(yīng)流速為7m/s左右。2.2.3出平面的抗彎當(dāng)墻體正面迎接泥石流作用時(shí),其受力屬于一種彎曲受拉狀態(tài),而砌體是一種“沿平面”(注:外力作用線在墻體平面內(nèi))的抗剪強(qiáng)度較大,而“出平面”(注:外力作用線垂直于墻體平面)的抗彎強(qiáng)度卻極低的結(jié)構(gòu),這就是在發(fā)生泥石流災(zāi)害時(shí),砌體結(jié)構(gòu)易整體垮塌的原因。所以本次破壞性模擬計(jì)算和試驗(yàn),選擇建筑物第一層面向泥石流作用的外墻體作為模擬子結(jié)構(gòu),上部?jī)蓪訛橛?jì)算子結(jié)構(gòu),如圖4所示。2.2.4沖擊荷載作用下的兩端鉸支根據(jù)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50003-2001)規(guī)定,當(dāng)房屋的屋蓋為整體式鋼筋混凝土屋蓋,其橫墻間距小于32m時(shí),其房屋靜力計(jì)算為剛性方案,多層建筑在豎向荷載作用下,墻、柱在每層高度范圍內(nèi)可近似地看作兩端鉸支的豎向構(gòu)件;在水平荷載作用下,則視作豎向連續(xù)梁。目前,針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的計(jì)算理論研究較少,本文假定墻體在沖擊荷載作用下的受力及破壞形態(tài)與在靜力荷載作用下相似,并將墻、柱在泥石流水平?jīng)_擊力作用下的工作情況假定為兩端鉸支,也就是不考慮墻體兩端支座約束墻體轉(zhuǎn)動(dòng)的能力,使結(jié)構(gòu)偏于安全,如圖5所示。其中,N為上部各樓層及本層樓蓋傳來(lái)的垂直荷載,不考慮其偏心影響,q為泥石流均布動(dòng)壓力,單位為N/m2。2.2.5考慮幾何相似模型的材料參數(shù)確定對(duì)于動(dòng)載試驗(yàn),要研究結(jié)構(gòu)的全部特性(即彈性和強(qiáng)度以及破壞時(shí)的特性)。通常要求模型材料與原型材料的特性極相似,最好是模型材料與原型材料一致。由于砌體結(jié)構(gòu)是由塊材和砂漿兩種材料復(fù)合組成,在幾何比例上縮小過(guò)多,要對(duì)塊材做專門加工,有一定困難,并給砌筑帶來(lái)不便。根據(jù)上述原則,并根據(jù)試驗(yàn)條件,確定模型選擇同型材料,采用1∶0.5的幾何相似比尺。根據(jù)假設(shè)2,泥深在2m高度以下,所以,模型的均布沖擊力作用范圍為1m高度以下。模型示意圖見圖6。3模擬測(cè)試3.1撞擊鋼板內(nèi)作用力的計(jì)算根據(jù)中國(guó)科學(xué)院云南東川泥石流觀測(cè)站試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)場(chǎng)地。如圖7所示,利用撞擊物從高處滾落時(shí)所產(chǎn)生的水平方向的沖力施加集中沖擊力。在試件表面安裝了一塊1.35m寬,1.0m高,8mm厚的鋼板,當(dāng)撞擊物沿軌道滾落下,通過(guò)撞擊鋼板,將撞擊物作用的集中沖擊力轉(zhuǎn)化為均布力。其計(jì)算示意圖如圖8。如圖7和圖8中所示,H為平臺(tái)到試驗(yàn)臺(tái)座的垂直高度,h為平臺(tái)到試件沖擊力作用點(diǎn)的垂直高度,撞擊物的半徑為r,N為試驗(yàn)槽對(duì)撞擊物的作用力,a為撞擊物加速度合量,ax為撞擊物水平加速度分量,ay為撞擊物垂直加速度分量。根據(jù)能量守恒原理,當(dāng)已知撞擊物質(zhì)量m,水平夾角β,即可求出其在作用點(diǎn)處的水平?jīng)_擊力。當(dāng)高度確定,即可確定沖擊物的速度。反之,如果已知撞擊物在作用點(diǎn)處的沖擊力大小,也可反求其質(zhì)量,初始運(yùn)動(dòng)位置等參數(shù)。根據(jù)假設(shè)2,本文擬研究的是蔣家溝對(duì)應(yīng)流速為7m/s左右的泥石流,根據(jù)計(jì)算,在本次試驗(yàn)中,軌道平面與水平的夾角選用β=33°,坡道的垂直高度H=4.5m。3.2準(zhǔn)備考試3.2.1無(wú)砂混凝土試塊試塊試件設(shè)計(jì)砂漿強(qiáng)度為M7.5;磚為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,240mm×115mm×53mm,等級(jí)為MU10的機(jī)制紅磚;混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C20。試件的表面采用20mm厚水泥砂漿抹平抹光,以確保分配力鋼板與試件之間接合面平整,背面刷白色涂料。砌體試件制作符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50203-2002的要求。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》JGJ70,做兩組標(biāo)準(zhǔn)砂漿試塊,尺寸為:70.7mm×70.7mm×70.7mm,與墻體試件同條件養(yǎng)護(hù);按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》GBJ107的規(guī)定留兩組混凝土試塊,尺寸為:150mm×150mm×150mm,與試件同條件養(yǎng)護(hù),在正式試驗(yàn)前,對(duì)試塊進(jìn)行了壓力試驗(yàn)。砂漿試塊在29d齡期時(shí),平均極限強(qiáng)度為9.4MPa,混凝土試件平均極限強(qiáng)度為25.3MPa,均符合設(shè)計(jì)要求。試件的上下端固定,上端支撐點(diǎn)設(shè)在距試件頂部0.15m處,頂端施加垂直荷載1.42kN。由于垂直荷載有利于墻體增強(qiáng)其抗剪能力,在試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,在試件頂部施加的垂直荷載小于計(jì)算所得的上部結(jié)構(gòu)所傳遞的豎向荷載。3.2.2缺乏作用力本次試驗(yàn)擬研究和觀測(cè)的項(xiàng)目為:磚混試件在均布沖擊作用下的破壞現(xiàn)象、特征,尤其是砌體從開裂直至破壞的過(guò)程。撞擊物采用直徑為150mm的空心鋼管,內(nèi)部裝碎鐵塊,兩端加蓋焊接,通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)容物重量,可以調(diào)節(jié)沖擊力大小。為了實(shí)測(cè)墻體表面均布沖擊力大小,在磚墻體表面均勻安裝5個(gè)泥石流沖擊力傳感器,代號(hào)分別為1#～5#,然后將鋼板固定在1#～5#傳感器前端,在鋼板外表面正中再安裝一個(gè)傳感器,代號(hào)為6#,用來(lái)測(cè)定撞擊物造成的集中沖擊力大小。傳感器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連,將電感信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了3部攝像機(jī),分別記錄試驗(yàn)全景、試件中部位移狀況以及試件背面的裂縫開展?fàn)顩r。圖9為試件正面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽?圖10顯示了試件側(cè)面情況。3.3加載系統(tǒng)撞擊物采用3種等級(jí),其質(zhì)量分別為10kg,15kg和40kg。3.4求最大彎矩計(jì)算根據(jù)傳感器安裝位置可知沖擊力的分布范圍,據(jù)此進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)水平方向力平衡,可得V上+V下=q?1.0m?0.9m(1)V上+V下=q?1.0m?0.9m(1)根據(jù)所有力對(duì)下端點(diǎn)的彎矩和為零,可得V上?1.15m=q?1.0m?0.9m?0.5m(2)V上?1.15m=q?1.0m?0.9m?0.5m(2)兩式聯(lián)立,得V上=0.39qm2;V下=0.51qm2(3)V上=0.39qm2;V下=0.51qm2(3)求任一截面的彎矩:當(dāng)y為0～0.20m時(shí)Μ=V上?y(4)M=V上?y(4)當(dāng)y為0.20～1.15m時(shí)Μ=V下?(1.15m-y)-q?1.0?(1.15m-y)?12(1.15m-y)(5)M=V下?(1.15m?y)?q?1.0?(1.15m?y)?12(1.15m?y)(5)欲求最大彎矩,需滿足:dΜdy=0,所以,對(duì)式(5)兩邊求導(dǎo),得y=0.64m,而Mmax=0.151qm3。從以上計(jì)算可見,當(dāng)受到均布水平力作用時(shí),墻體最危險(xiǎn)截面為距底端支座h=0.51m處截面,其彎矩最大。3.5試件試驗(yàn)情況9月16日下午15時(shí)47分,預(yù)備試驗(yàn)開始,先采用m=10kg的撞擊物從平臺(tái)頂部,無(wú)初速度沿試驗(yàn)槽滾動(dòng)沖擊試件,共10次,時(shí)間間隔1min。通過(guò)處理攝像圖形資料,可以確定每次撞擊過(guò)程中及撞擊結(jié)束后,試件都表現(xiàn)為處于彈性狀態(tài),墻體沒(méi)有殘留變形。通過(guò)預(yù)備試驗(yàn),調(diào)整攝像設(shè)備、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備,調(diào)整試件支撐及固定件等,確保試驗(yàn)各環(huán)節(jié)正常工作。9月17日上午8時(shí)58分,正式試驗(yàn)開始,總撞擊次數(shù)為22次,其中,m=10kg,4次;m=15kg,3次;m=40kg,15次,每次撞擊物均未施加初速度。首先,采用m=10kg的撞擊物撞擊試件,共4次,時(shí)間間隔5分鐘,試件仍表現(xiàn)為處于彈性工作狀態(tài);11時(shí)3分后,采用m=15kg的撞擊物撞擊試件3次,時(shí)間間隔7min。在第5次撞擊后,在試件墻背面出現(xiàn)3條輕微且不貫通的裂縫,其中,水平裂縫最高點(diǎn)位于墻中部,h=0.48m,根據(jù)圖像分析結(jié)果,試件中部已產(chǎn)生了殘余變形,標(biāo)志著試件已進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。第7次撞擊后,兩條水平裂縫以及豎向裂縫已經(jīng)貫通,如圖11所示。之后,采用m=40kg的撞擊物對(duì)試件重復(fù)撞擊15次,直至破壞,每次撞擊之間時(shí)間間隔5min左右。第8次撞擊后,裂縫有較大幅度增長(zhǎng)。第12次撞擊過(guò)程中,可觀測(cè)到裂縫有明顯的張、合現(xiàn)象。之后,裂縫逐漸加寬,垂直和水平裂縫相互貫通,共同發(fā)展,且對(duì)應(yīng)的墻側(cè)面和墻頂面也出現(xiàn)貫通裂縫,裂縫最大寬度大于1mm。此時(shí)判斷墻體已失去繼續(xù)工作的能力,停止試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得的墻體最危險(xiǎn)截面位于h=0.48m處,與理論計(jì)算獲得的最危險(xiǎn)截面h=0.51m存在著一定偏差,但其破壞形式完全符合理論假設(shè),即墻體在水平均布沖擊力作用下,在平面外發(fā)生受彎破壞,其破壞截面為豎向彎距最大截面。4破壞形態(tài)的驗(yàn)證因?yàn)樵嚰砻婵砂惭b的傳感器數(shù)量有限,測(cè)出的試件表面受力不能描述完全均勻受力狀態(tài),加之存在著構(gòu)造柱和