强冲击载荷下钢筋混凝土路面动态响应影响因素敏感度分析.pdf

机械制造 周晓和， 等 强冲击载荷下钢筋混凝土路面动态响应影响因素敏感度分析 强冲击载荷下钢 筋混凝土路面动态 响 应影响 因素敏 感度分析 周 晓和 ， 马大为， 仲健林 ， 任杰 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要： 为得到强冲击载荷下， 混凝土厚度 、 钢筋位置及纵向配筋率对钢筋混凝土路 面动 态响应敏感度 ， 采用混凝土塑性损伤模 型， 建立 了钢 筋混凝 土路面有限元模型： 采用参数 化技术。 对钢筋混凝土路面在强冲击栽荷下动态响应的主要影响因素进行参数化计算。 结 合计算结果对各参数进行 了敏感度分析 分析结果表 明： 混凝土厚度对载荷 中心点最大 沉降值及钢筋混凝土板底 中心点最大应力值影响较大， 钢筋位置次之 纵向配筋率对其无 太大影响 。 关键词： 强冲击载荷； 钢筋混凝土路面： 参数化； 动态响应： 敏感度分析 中图分类号 ： T P 3 9 1 9 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 1 5 2 7 6 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 7 4 0 3 S e ns i t i v i t y Ana l y s i s o f Dy n a mi c Re s p o n s e I n flu e nc i ng Fa c t o r o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Pa v e me n t u nd e r He a v y I mpa c t Lo a di ng Z H0U Xi a o h e，MA Da W E i Z H0NG J i a n l i n ，R EN J i e ( S c h o o l o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ，N U S T，N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， Ch in a ) Abs t r a c t： To o b t ain t h e dy n a mic r e s p o n s e s s en s it iv it y o f c on c r e t e t hic k n e s s，r e i n f o r c eme n t p o s i t ion a nd l o n git u di n al r e i n f or c e me n t r a t io o f r ein f or c e d c on c r e t e p a v eme n t u n d er h e a v y i mp a c t Io a di n g，it s f i n i t e ele m e n t m o d e l is e s t ab l is h ed b y t h e c o n cr e t e d ama ge d p l a s t i c it y mod e l ，t h e p ar a me t r i c t e c h n olo gy i s u s e d t o c a l c u la t e ma i n d y n amic r e s p o n s e i n f l u en c i n g f a c t or o n t he r e i n f or c e d c o n cr e t e p a v eme n t u n d er h e a v y i mp a c t l o a din g an d t h en ac c or din g t o t h e o b t a i n e d r es u lt s，t h e s e n s i t ivit y o f ea c h pa r ame t er is a n aly z e d Th e r es u lt s h ows t h a t t h e c o n c r e t e t h i c k n e s s h a s g r e at i n f l u en c e o n l o a din g c e n t r a l ma ximu m s ett l e me nt an d b ott o m c e n t r a l ma ) ( imu m s t r es s v a l u e，n e x t r e i n f or c e men t p o s i t i o n，a n d t h e n l o n git u di n al r e i n f o r c e men t r a t io Ke y wor d s： h e a vy imp a c t loa din g；r e i n f o r c e d c o n c r e t e p a v eme n t ；pa r ame t er ；d y n amic r e s p o n s e；s en s it i v it y an a lys is O 引言 钢筋混凝土结构由于充分利用了混凝土的抗压性能 和钢筋 的抗拉性能 ， 已被广泛 地应用 于高层建筑 物 、 长跨 桥、 高速公路、 水电站、 隧道等。这些结构在其工作过程中 除了承受正常 的设计 载荷之外 ， 往往还 要承受诸 如爆 炸 、 冲击和碰撞等动载荷， 此时。 受载结构处于大变形、 高应变 率和高静水压力状态； 在远离动载荷作用处， 围压效应减 弱而多轴应力效应明显： 介质内部由于拉、 压应力波的相 互作用对材料内部产生不同程度的破坏 对材料性能产生 复杂 的影响 J 。 文中对 A B A Q U S 有限元软件中混凝土塑性损伤模型 的基本理论与特点进行介绍， 并将其运用到钢筋混凝土建 模中： 结合参数化技术， 通过对钢筋混凝土路面模型参数 的修改 快速、 准确地建立相应的非线性有限元动力学模 型， 并根据设定参数 自动地进行计算 完成参数化求解 目 标 ， 通过对计算结果的分析， 对钢筋混凝土路面模型主要 性能参数进行敏感度评估。 作者简介 ： 周晓和 7 4 混凝 土塑性损伤模型 A B A Q U S中的混凝土损 伤塑性 模型使 用于模 拟各 种 类型中的混凝 土和其他准脆性材料 ， 其采用 各向同性 弹性 损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来表征混凝土的 非弹性行为， 可模拟低围压， 混凝土受到单调、 循环或动载 作用下的力学行为 结合非关联多重硬化塑性和各向同性 弹性损伤理论来表征材料断裂过程中发生的不可逆损伤 行为。材料 的弹性行 为应 为各 向同性和线性 的l 5 。 l - l 屈服函数 模型考虑了在拉伸和压缩作用下材料具有不同的强 度特征 考虑高围压力、 等效应力以及有效最大主应力的 影响， 将材料的屈服函数写成式( 1 ) 的形式I 4 ： 1 F ( ) = ( 一 3 a 一 ) ( 1 ) 1 一 U 式中： O ， 卢， 一材料参数， 由实验确定； 1 一 静水 压力， = 一 h t t p ： Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E - , n a i l ： Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 n e t c n 机械制造与 自 动化 机械制造 周晓和 ， 等 强冲击载荷下钢筋混凝土路 面动 态响应 影响因素敏 感度 分析 一 等效 ： 3 S ； 一 有效最大 主应力 。 通过单轴压缩实验、 等双轴压缩实验、 单轴拉伸实验、 T M( t e n s i l e me r i d i a n ) 实验 、 C M( c o m p r e s s i v e m e r i d i a n ) 实验 得到 ： ( M 1 t r c 0 ) 一 1 2 ( O b o O c o) - 1 卢： ( 1 - a ) 一 ( 1 + ) ( 2 ) 抑 3 (1 一 ) = 2 K一1 式 中： 1 7 ， 一单轴压缩 实验 的初始屈服点应力 ； o r 一 等双轴压力实验 的初始屈服点应力 ； o r 一 单轴拉伸实验 的初始屈服点应力 ； 一 单轴压缩时的破坏临界应力 ： K： 为一材料参数。 一般取 0 6 7 。 ( g ) 1 2 混凝土 的损伤行 为描 述 模型为连续的、 基于塑性的混凝土损伤模型。它假设 混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破坏。屈服或 破坏的演化由两个硬化变量 和 控制。如图 1 及 图 2所示 。 图 1 混凝土单轴拉伸下的应力应变关 系 图 2 混凝 土单轴压缩下的应力应变关 系 如果 为材料的初始( 无损) 弹性刚度 ， 则单轴拉伸 和压缩载荷作用下的应力应变关系分别为： Ma c h in e B u i ld i n g 8 A u t o m a t i o n O c t 2 0 1 4 4 3 ( 5 ： 7 4 7 6。 8 3 f ， =( 1 - d , ) 一 ) ( 3 ) O 1 =( 1 一 d 。 ) E 0 ( 8 一 ) 1 - 3 流动势 函数 混凝土损伤塑性模型采用非相关联势塑性流动。模 型 中 采 用 的 流 动 势 G 为 D r u c k e r P r a g e r抛 物 线 函 数 即： G = ( m ta n , ) + - 3 ta n 0 ( 4 ) 式 中： ( ) = P I = 0 为破坏时的单轴应力 ； ( ) 为p - q 平面上高围压下的剪胀角； ( ) 为偏移量参数， 给出了函数趋向于渐近线的 速率 。 2 有 限元计算模型 有限元模型分为两层： 1 )钢筋混凝土层； 2 )土基。 钢筋混凝土层采用混凝土与钢筋分离的方法建模 有限元 模型尺寸为 5 4 mx 4 mX 0 2 4 m。混凝土的模拟采用混凝 土塑性损伤模型 ， 根据文献 1 提供的数据， 定义材料的 力学 行 为 ： 钢 筋 采 用Mi s e s弹 塑 性 模 型 用 埋 入 ( E m b e d d e d ) 的方式将钢筋放置在距混凝土表面 0 1 1 m的 位置。第二层为土基层 有限元尺寸为 5 4 mx 4 mx 2 m。 各层材料参数见表 1 、 表 2 ： 钢筋混凝土层与土基层之 间不 考虑层 间断裂效应 四周设 置为 自由 。 土基 底面设 置为 固 端 约 束。钢 筋 混凝 土 路 面 中心 处 加 载 ， 加 载 半 径 R= 0 4 m； 加载时 问 t =8 m s ， 载荷最 大值 1 4 MP a ， 单次载荷 总 作用时 间 =0 1 S 表 1 混凝土塑性参数 弹性模量 E G p A 泊松 比 密度p k g m 3 计算结果及分析 运用参数化技术， 通过自编钢筋混凝土路面参数化仿 真软件。 对混凝土厚度、 纵 向配筋率及钢筋位置三项参数 逐一进行参数化计算， 从而对单个参数敏感度进行分析。 3 1 混凝土板厚度 当钢筋混凝土路面模型纵向配筋率、 钢筋位置等参数 相同时。 分析混凝土板厚度对路面在强冲击载荷下动态响 应的影响。分析模型如表 3 所示。 75 机械制造 周晓和， 等 强冲击载荷下钢筋混凝土路面动态响应影响因素敏感度分析 表 3 不同混凝土厚度有限元分析模 型 图3 、 图4为计算后得到的不同混凝土厚度情况下钢筋 混凝土路面的载荷中心点最大沉降值及板底中心最大应力。 董 世 蛙 咄 喜 郫 图 3 载荷 中心点最大位移随混凝土板厚度变化 曲线 善 斗 0 4 m之后 ， 随着板厚的进 一 步加大 板底中心点最大应力值的变化趋于平稳。故得 到随着混凝 土板 厚 的增 大 板 底 中心点最 大应 力 变化 率 变小 76 3 2 纵 向配筋率 影响纵向配筋率大小主要有两方面因素： 钢筋直径与 钢筋间距。对混凝土厚度及钢筋位置等参数相同的钢筋 混凝土路面， 选取 8 个不同纵向配筋率钢筋混凝土路面模 型进行研究 ， 计算结果如表 4及 图 5所示 。 表 4 不 同纵 向配筋率有 限元分析工况及结果 配筋率 图 5 钢筋层最大应 力随纵 向配筋率变化 曲线 通过 表 4及 图 5可 以看到 ： 1 )随着配筋率 的减 小 ， 载 荷中心点最大位移逐渐增大 但变化值非常小： 在 8个工 况中， 板底中心最大应力的变化并无明显规律 ， 且计算结 果中最大值与最小值间仅相差 2 6 。说明纵向配筋率的 增加对加 载中心最 大位移及板 底 中心最 大应力无 太大影 响。原 因为设置钢筋 网的主要 目的并非是 为 了增 加板 的 抗弯强度， 而是为了将开裂的混凝土落在一起 ， 使板依靠 断裂 面的集料嵌锁作用保证结构 的强度 。 2 )随着配筋率的增大， 钢筋层最大应力明显下降， 应 力在钢筋层中更加平均 ， 提高了钢筋混凝土层的结构强 度。但是当配筋率 A 0 4 之后 ， 随着配筋率的进一步增 大 ， 钢筋层最大应力减小 幅度减缓 此时纵 向配筋 率 的提 高对钢筋混凝土路面的抗冲击性能提高起到的作用也越 来越有 限 3 3 钢筋位置 当钢筋混凝土路面模型纵 向配筋率 、 混凝 土厚度 等参 数相 同时 分析钢筋位置对路面在强冲击载荷下 动态 响应 的影响。分析模 型及工况计算结果如表 5所示 。 ( 下转 第 8 3页) h t t p： #Z Z H D c h in a j o u r n a 1 n e t c n E - ma i l ： Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 n e t c n 机械制造与 自动化 B d 域 踏蛭器 机械制造 刘一航 等 汽车消声器的性能分析与结构优化 发动机油 门 1 0 0 开启 ， 运 行到 转速 稳定 后 ， 再 进行 噪 声 信号采集 、 记录 见 图 l 3 。 鲁 S 兽 F u l l t h r o t t l e a c c e le r a t i o n 优化后状态 原状态 噪声控制线 I R P M R PM】 图 1 3 全 油门加速噪声对比 通过 8 0 0 r ra i n 6 0 0 0 r m i n 转速下的对比试验， 优化 后噪声有明显下降， 3 0 0 0 r m i n时排气声压级由原来的 9 O d B( A) 降低至 8 3 d B ( A) ， 排气轰鸣声消除， 满足要求。 优化后方案总声压级低于原状态， 且满足目标控制线 ， 整 个加速过程中无明显波峰。 3 结论 消声器设计主要基于经验设计 ， 没有完整的设计理 论， 本文利用 G T P O WE R软件， 针对于发动机具体频率 产生的噪声进行分析。 从而优化消声器结构来满足发动机 需要的消声量 。 在此过程中起到指导意义， 减少样件制作 数量， 缩短研发周期。 参考文献 ： 1 G B 1 4 9 5 -2 0 0 2 ， 汽车加速行驶车外噪声限制及测量方法 s 2 T e c h n o l o g i e s G G T 2 P O W E R U S E R S M A N U A L 2 0 0 3 3 马大猷 噪声与振动控制工程手册 M 北京： 机械 工业出版 社 2 0 0 2 4 庞剑 ， 谌刚 ， 何华 汽车 噪声与振 动 M 北京 ： 北京 理 工 大学 出版社 2 0 0 6 5 容江峰 ， 魏存海 柴油机排气噪声频率 J 2 0 1 0 6 罗虹， 邓海涛， 董红亮， 等 消声器共振腔及穿孔隔板消声特性 数值分析 J 2 0 0 8 7 郑殿民 ， 任越 光， 李 向雷 汽 车排气消声器的设计 J 2 0 0 6 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 70 3 通 过表 4 及 表 5可以看到 ： 1 )随着钢筋距顶面距离的增大。 载荷 中心最大沉降 值在减小 但变化值不大。 2 )通过表 5 工况计算结果发现， 钢筋层靠近面板顶层和 靠近面板底层的板底中中心最大应力值都比较大： 钢筋层在 混凝土板2 3 1 2 之间时， 板底中心最大应力值比较小。故 3 )强冲击载荷下 纵向配筋率的变化对钢筋混凝土载荷 中心最大沉降值影响不大， 并且对钢筋混凝面板板底应力的 影响并无明显规律。但是 ， 随着 配筋率的提高 ， 钢筋层 内最 大应力降低 钢筋混凝土内部应力更加均匀， 提高了钢筋混 凝土路面的结构强度： 当配筋率 A Q4 之后， 随着配筋率的 进一步增大 钢筋层最大应力减小幅度减缓。 通常将钢筋层放置于混凝土层中间位置比较合理。 4结论 参 敬 献： 1 )强冲击载荷下。 混凝土层厚度对钢筋混凝土路面 载荷中心沉降值及板底中心最大应力值影响较大。随着 混凝土层厚度的增加 载荷中心最大位移值及板底中心最 大应力值均减小 并且载荷中心最大位移变化率及板底中 心最大应力变化率均减小 2 )强冲击载荷下， 钢筋层位置对钢筋混凝土路面载 荷中心沉降值有规律性影响， 但影响不大， 但是钢筋层位 置对钢筋混凝土板底应力有较大影响。钢筋层靠近钢筋 混凝土面板顶层和面板底层的板底中心点应力均比钢筋 层处在中间位置的板底中心点应力要大， 故将钢筋层设置 在混凝土层 2 3 1 2比较合理。 Ma c h i n e B u il d in g 8 Au t o m a t i o n 。O c t 2 0 1 4 4 3 0 5 ： 8 o 一8 3 1 刘文晶 ， 姚婵 娟， 刘涛等 冲击荷载作用 下混凝土路 面的损伤 分析 C 中国公路学会公路环境与可持续发展分 会 2 0 1 0年 学术年会论文集 2 0 1 0 2 朱聪 碰撞冲击荷载下钢筋混凝土结构的动态响应及损伤机 理 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 1 1 3 梁星文 ， 叶艳霞 混凝土结构非线性分析 M 北京 ： 中国建筑 工业出版社 2 0 0 7 4 江见鲸 ， 陆新征， 叶列平 混凝土结构有限元分析【 M 北京： 清华大学出版社 2 0 0 4 5 王金昌， 陈页开 A B A Q U S 在土木工程中的运用 M 杭州： 浙 江大学出版社 2 0 0 6 收稿 日期 ： 2 0 1 30 6 l 9 83