泥石流冲击作用下的混凝土受载分析

泥石流冲击作用下的混凝土受载分析

泥石流是山区独特的突发性自然灾害。它具有突然、短期、风暴、大量淤泥和严重的破坏力。近年来,泥石流灾害频繁爆发,而山区建设发展迅速,山区城镇建设及泥石流堆积扇开发利用中的泥石流防治问题愈显突出。砖混建筑是中国山区较为普遍的一种建筑形式,准确地了解砖混建筑在泥石流冲击力作用下的破坏形态,探求加强结构抵抗泥石流冲击的有效措施具有重要意义。为了展开这方面的研究,中科院成都山地所进行了一系列的试验和理论模拟研究工作。对建筑物受泥石流冲击力作用产生动态响应直至破坏的研究,在国内外相关文献中还比较少见。国内魏鸿、沈寿长、刘雷激、魏华、王兆印等利用水槽实验模拟泥石流龙头形成机制,研究龙头的冲击力;中国科学院东川泥石流观测研究站对云南蒋家沟进行了多年的观测,记录了大量的泥石流冲击力的实际资料;在国外,日本的石川芳治对分离泥石流隔栅材料进行了冲击荷载实验,主要目的是为防砂坝设计提供依据。对于结构或材料在冲击荷载作用下动态响应的研究,多数集中于具有弹塑性质的结构或材料,而对于没有明显屈服点的砖石及砌块墙体则较少。根据章书成等人的观测,泥石流冲击力是由泥石流浆体动压力和石块撞击力两部分构成,这两部分往往又相互叠加,即在浆体动压力上叠加着大小不同的石块作用力,其破坏作用就更大。但大石块的作用有偶然性,本文仅对浆体动压力部分进行模拟计算和试验。1建筑物的破坏形式为了准确了解砖混建筑在泥石流冲击作用下的破坏形态,作者进行了大量现场考察,查阅了相关文献。根据国内外对在泥石流灾害中建筑物破坏形式所做的调查,砖混结构的一般破坏形式有3种,第1种是建筑墙体在泥石流体撞击下,墙体受弯,出现横向断裂,最终导致整体垮塌,如图1;第2种为墙体被泥石流体中携带的大石块撞击,造成墙体上出现大的孔洞,在孔洞足够大或者大石块较多的情况下,墙体被破坏,如图2;第3种是,高层建筑物底部墙体或支撑构件被破坏,其上部结构失去支撑而垮塌,如图3所示。2模拟假设本文拟模拟第1种破坏形态,为了准确模拟砖混建筑在泥石流冲击力作用下的动态反应,需对拟模拟的原型建筑受力性能及破坏形态等进行理论假定。2.1结构体系设计中国科学院东川泥石流观测站对云南蒋家沟泥石流进行了长达40a的观测,积累了翔实的资料,可用来作为模拟的基础资料。本文选取蒋家沟粘性泥石流运动参数作为基础数据。本文拟模拟一个云南东川地区典型3层砖混结构的受力状况。该建筑根据现行建筑规范——砌体结构设计规范(GB50003-2001),建筑结构荷载规范(GB50009-2001)设计,抗震设防烈度9度,层高2.7m,横墙间距为2.7m,纵横墙混合承重,墙体厚度为240mm。一层墙下设钢筋混凝土基础梁,每层墙顶设钢筋混凝土圈梁,纵横墙交接处设钢筋混凝土构造柱,楼板为现浇钢筋混凝土楼板。2.2模拟假设2.2.1泥石流源头冲击建筑物造成的危害根据实际观测研究,阵流是粘性泥石流的主要运动形式,它有明显的头部、身部和尾部,俗称为“龙头”、“龙身”和“龙尾”,而泥石流龙头冲击建筑物造成的危害是非常突出的。根据魏鸿的试验研究,龙头开始冲击坝体时,龙头冲击力在沿坝高分布的每一相对高度区域,从下至上出现,历时极短。目前泥石流的流速分布问题尚未得到解决,在实际观测中,把龙头看成整体的运动,测得的流速作为断面平均流速。因此,假定泥石流龙头以同一速度均匀作用在建筑物上,即泥石流体对建筑物的冲击力是均匀的。2.2.2泥深与石流泥深的关系根据中国科学院东川泥石流观测站的实际观测资料,蒋家沟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,而流速与泥深一般正相关。可假定均匀分布的冲击力作用区域在2m高度以下,而对应流速为7m/s左右。2.2.3出平面的抗弯当墙体正面迎接泥石流作用时,其受力属于一种弯曲受拉状态,而砌体是一种“沿平面”(注:外力作用线在墙体平面内)的抗剪强度较大,而“出平面”(注:外力作用线垂直于墙体平面)的抗弯强度却极低的结构,这就是在发生泥石流灾害时,砌体结构易整体垮塌的原因。所以本次破坏性模拟计算和试验,选择建筑物第一层面向泥石流作用的外墙体作为模拟子结构,上部两层为计算子结构,如图4所示。2.2.4冲击荷载作用下的两端铰支根据砌体结构设计规范(GB50003-2001)规定,当房屋的屋盖为整体式钢筋混凝土屋盖,其横墙间距小于32m时,其房屋静力计算为刚性方案,多层建筑在竖向荷载作用下,墙、柱在每层高度范围内可近似地看作两端铰支的竖向构件;在水平荷载作用下,则视作竖向连续梁。目前,针对砌体结构在冲击荷载作用下的计算理论研究较少,本文假定墙体在冲击荷载作用下的受力及破坏形态与在静力荷载作用下相似,并将墙、柱在泥石流水平冲击力作用下的工作情况假定为两端铰支,也就是不考虑墙体两端支座约束墙体转动的能力,使结构偏于安全,如图5所示。其中,N为上部各楼层及本层楼盖传来的垂直荷载,不考虑其偏心影响,q为泥石流均布动压力,单位为N/m2。2.2.5考虑几何相似模型的材料参数确定对于动载试验,要研究结构的全部特性(即弹性和强度以及破坏时的特性)。通常要求模型材料与原型材料的特性极相似,最好是模型材料与原型材料一致。由于砌体结构是由块材和砂浆两种材料复合组成,在几何比例上缩小过多,要对块材做专门加工,有一定困难,并给砌筑带来不便。根据上述原则,并根据试验条件,确定模型选择同型材料,采用1∶0.5的几何相似比尺。根据假设2,泥深在2m高度以下,所以,模型的均布冲击力作用范围为1m高度以下。模型示意图见图6。3模拟测试3.1撞击钢板内作用力的计算根据中国科学院云南东川泥石流观测站试验现场条件,设计了试验场地。如图7所示,利用撞击物从高处滚落时所产生的水平方向的冲力施加集中冲击力。在试件表面安装了一块1.35m宽,1.0m高,8mm厚的钢板,当撞击物沿轨道滚落下,通过撞击钢板,将撞击物作用的集中冲击力转化为均布力。其计算示意图如图8。如图7和图8中所示,H为平台到试验台座的垂直高度,h为平台到试件冲击力作用点的垂直高度,撞击物的半径为r,N为试验槽对撞击物的作用力,a为撞击物加速度合量,ax为撞击物水平加速度分量,ay为撞击物垂直加速度分量。根据能量守恒原理,当已知撞击物质量m,水平夹角β,即可求出其在作用点处的水平冲击力。当高度确定,即可确定冲击物的速度。反之,如果已知撞击物在作用点处的冲击力大小,也可反求其质量,初始运动位置等参数。根据假设2,本文拟研究的是蒋家沟对应流速为7m/s左右的泥石流,根据计算,在本次试验中,轨道平面与水平的夹角选用β=33°,坡道的垂直高度H=4.5m。3.2准备考试3.2.1无砂混凝土试块试块试件设计砂浆强度为M7.5;砖为标准尺寸,240mm×115mm×53mm,等级为MU10的机制红砖;混凝土强度等级均为C20。试件的表面采用20mm厚水泥砂浆抹平抹光,以确保分配力钢板与试件之间接合面平整,背面刷白色涂料。砌体试件制作符合现行国家标准《砌体工程施工质量验收规范》GB50203-2002的要求。现行国家标准《建筑砂浆基本性能试验方法》JGJ70,做两组标准砂浆试块,尺寸为:70.7mm×70.7mm×70.7mm,与墙体试件同条件养护;按照现行国家标准《混凝土强度检验评定标准》GBJ107的规定留两组混凝土试块,尺寸为:150mm×150mm×150mm,与试件同条件养护,在正式试验前,对试块进行了压力试验。砂浆试块在29d龄期时,平均极限强度为9.4MPa,混凝土试件平均极限强度为25.3MPa,均符合设计要求。试件的上下端固定,上端支撑点设在距试件顶部0.15m处,顶端施加垂直荷载1.42kN。由于垂直荷载有利于墙体增强其抗剪能力,在试验模拟过程中,根据现场条件,在试件顶部施加的垂直荷载小于计算所得的上部结构所传递的竖向荷载。3.2.2缺乏作用力本次试验拟研究和观测的项目为:砖混试件在均布冲击作用下的破坏现象、特征,尤其是砌体从开裂直至破坏的过程。撞击物采用直径为150mm的空心钢管,内部装碎铁块,两端加盖焊接,通过调节内容物重量,可以调节冲击力大小。为了实测墙体表面均布冲击力大小,在砖墙体表面均匀安装5个泥石流冲击力传感器,代号分别为1#～5#,然后将钢板固定在1#～5#传感器前端,在钢板外表面正中再安装一个传感器,代号为6#,用来测定撞击物造成的集中冲击力大小。传感器通过A/D转换器与计算机相连,将电感信号转换为数字信号。现场设置了3部摄像机,分别记录试验全景、试件中部位移状况以及试件背面的裂缝开展状况。图9为试件正面传感器布置示意,图10显示了试件侧面情况。3.3加载系统撞击物采用3种等级,其质量分别为10kg,15kg和40kg。3.4求最大弯矩计算根据传感器安装位置可知冲击力的分布范围,据此进行计算。根据水平方向力平衡,可得V上+V下=q⋅1.0m⋅0.9m(1)V上+V下=q⋅1.0m⋅0.9m(1)根据所有力对下端点的弯矩和为零,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)两式联立,得V上=0.39qm2;V下=0.51qm2(3)V上=0.39qm2;V下=0.51qm2(3)求任一截面的弯矩:当y为0～0.20m时Μ=V上⋅y(4)M=V上⋅y(4)当y为0.20～1.15m时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)欲求最大弯矩,需满足:dΜdy=0,所以,对式(5)两边求导,得y=0.64m,而Mmax=0.151qm3。从以上计算可见,当受到均布水平力作用时,墙体最危险截面为距底端支座h=0.51m处截面,其弯矩最大。3.5试件试验情况9月16日下午15时47分,预备试验开始,先采用m=10kg的撞击物从平台顶部,无初速度沿试验槽滚动冲击试件,共10次,时间间隔1min。通过处理摄像图形资料,可以确定每次撞击过程中及撞击结束后,试件都表现为处于弹性状态,墙体没有残留变形。通过预备试验,调整摄像设备、A/D转换器、计算机和其它设备,调整试件支撑及固定件等,确保试验各环节正常工作。9月17日上午8时58分,正式试验开始,总撞击次数为22次,其中,m=10kg,4次;m=15kg,3次;m=40kg,15次,每次撞击物均未施加初速度。首先,采用m=10kg的撞击物撞击试件,共4次,时间间隔5分钟,试件仍表现为处于弹性工作状态;11时3分后,采用m=15kg的撞击物撞击试件3次,时间间隔7min。在第5次撞击后,在试件墙背面出现3条轻微且不贯通的裂缝,其中,水平裂缝最高点位于墙中部,h=0.48m,根据图像分析结果,试件中部已产生了残余变形,标志着试件已进入塑性工作状态。第7次撞击后,两条水平裂缝以及竖向裂缝已经贯通,如图11所示。之后,采用m=40kg的撞击物对试件重复撞击15次,直至破坏,每次撞击之间时间间隔5min左右。第8次撞击后,裂缝有较大幅度增长。第12次撞击过程中,可观测到裂缝有明显的张、合现象。之后,裂缝逐渐加宽,垂直和水平裂缝相互贯通,共同发展,且对应的墙侧面和墙顶面也出现贯通裂缝,裂缝最大宽度大于1mm。此时判断墙体已失去继续工作的能力,停止试验。试验获得的墙体最危险截面位于h=0.48m处,与理论计算获得的最危险截面h=0.51m存在着一定偏差,但其破坏形式完全符合理论假设,即墙体在水平均布冲击力作用下,在平面外发生受弯破坏,其破坏截面为竖向弯距最大截面。4破坏形态的验证因为试件表面可安装的传感器数量有限,测出的试件表面受力不能描述完全均匀受力状态,加之存在着构造柱和