基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能.doc

基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能 第卷第期硅酸盐通报.年月?基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能马巍?任建伟?胡俊?吴德义(.安徽建筑大学土木工程学院?合肥?.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽重点实验室?合肥)摘要:以冲击试验及落锤试验为依据?建立混凝土有限元数值模型?运用连续损伤理论分析不同冲击加载制度对轻骨料混凝土动态缓冲性能的影响?对该类材料的动态响应进行时程分析?揭示峰值速度发生时间及加载周期对整体和局部材料动态冲击响应的影响?分析结果表明:在冲击势能相同的前提下?整体材料的动态耗能特性随着冲击峰值时间的推迟呈现先上升而后下降的趋势?随着加载时程的延长(冲击峰值速度降低)其对冲击势能的转化能力逐渐提高?而单位体积材料的动态耗能特性则随着峰值时间的延迟和加载周期的延长均呈现先上升而后下降的趋势?在材料的冲击损伤演化方面?冲击峰值时间的变化对材料的损伤度影响较小?且材料在峰值时间出现于中期阶段的冲击荷载下的损伤程度相对严重?同时?延长加载周期并降低冲击峰值对于材料冲击损伤的影响显著?并建立了基于加载周期预测材料损伤度的数学模型?关键词:冲击加载制度?轻骨料混凝土?动态损伤?冲击耗能?冲击动力学:.:()?(.?.?)基金项目:国家重点研发计划()?国家自然科学基金()?安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目()作者简介:马巍()?男?博士研究生?副教授.主要从事建筑结构及材料耐久性研究.:.通讯作者:胡俊?博士?副教授.:.:?.?.?.?.:?第期马巍等:基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能?引言随着工程技术发展?建筑材料向种类多样化?功能精细化发展?以旧轮胎、塑料泡沫等废弃物为轻质骨料的轻型骨料混凝土的在工程应用中日益广泛?由于橡胶及聚苯乙烯泡沫(简称)具有优良的变形能力?因此将此类材料与胶凝基质混合而成的聚合物改性沥青、橡胶混凝土及混凝土等缓冲材料在军事防护工程及民用交通领域发挥了较大作用?该类材料相对于传统混凝土而言具有优良的耐久性、抗渗抗裂以及抗冲击性能?胶凝基质与轻骨料混合而成的缓冲材料引起诸多学者广泛研究?研究表明养护环境及养护周期对于其静态抗压强度影响显著?该类材料的力学性能受骨料的粒径及含量影响?轻质骨料含量的提高将导致该材料的防火隔热性明显增加?变形能力极大的改善?在冲击动力学方面?诸多学者运用分离式杆及落锤装置分析了该材料在动态加载制度下的材料响应?在冲击荷载下?柔性骨料含量的提高将导致其抗压峰值应变及振动阻尼的提升?在相同的骨料含量下?材料的动态抗压强度及冲击韧性随其应变率提高而显著提高?同时该类材料的对冲击荷载的能量吸收性能会随着冲击速度的提升而改善?另一方面?为进一步完善该类材料的服役性能?有学者在轻质骨料混凝土的基础上加入特定的添加料?如陶瓷粉粒、丁苯乳胶等?同样取得了较好的研究成果?诸多学者对该类材料静力学与冲击动力学方面的研究推动了其在工程实际中的应用?由于实验技术的进步?冲击试验及落锤撞击试验对于研究该类缓冲材料在瞬时强荷载下的动态响应及材料特性提供了诸多便利?因为冲击荷载对材料的加载作用瞬间发生?以及试验仪器对试验材料的精密程度的要求?使得在现阶段对该类材料的冲击加载制度及材料的动态时程响应等方面的相关报道还略有欠缺?然而?显式有限元分析软件因其在冲击爆破方面具有较强的分析能力及时间回溯性?因而被广泛应用于冲击荷载工况下的工程模拟上?本文将以混凝土为代表?运用显示有限元分析软件对不同冲击制度下缓冲材料的冲击损伤及动态耗能进行时程分析?并以此为依据建立该类缓冲材料在不同冲击制度下的动态响应特征谱?为此类材料的工程应用及性能优化设计提供理论依据?缓冲材料动态耗能及冲击损伤.动态耗能冲击荷载作用下缓冲材料的动态响应在时间历程内满足能量守恒?即()其中?表示物理量增量?表示冲击势能的输入量?为材料自身增加的势能?在物质场内?物质微粒群的势能增量可表示为:()其中?为微粒等效密度?为微粒变形速度?其值表示微粒在冲击作用下单位时间内的空间偏移值?为微粒的柯西应力?为与相对应的应变?为自由能?对于材料宏观角度而言?()其中?为材料内能?为由材料响应而产生的耗散能?由于材料在冲击荷载下的内能变量与材料属性相关且变化幅度相对较小?另外对于缓冲材料而言?该类材料主要通过材料形变及惯性能等主要方式进行冲击势能的耗散?因此对于缓冲材料在冲击历程内的动态耗能可以表示为:?()?()?()?()其中?()为时刻时的形变值?和分别为时刻及时刻时的应变?()为与相对应的应力?为专题论文硅酸盐通报第卷材料体积积分域?为体积积分微元?固态材料对冲击势能的耗散与诸多因素相关?为探索不同冲击制度对缓冲材料的耗能性能的关系?本文选取等效耗能密度来定量表示其动态冲击响应?()()其中?为冲击作用下的材料的体积?()为时刻时的损伤因子?等效耗能密度物理含义为考率动态损伤下缓冲材料单位体积对冲击势能的耗散及吸收能力?.冲击损伤演化固体材料在外界作用下的损伤研究对于材料的工程应用及结构设计意义重大?及等学者运用连续损伤理论对岩石类的损伤机理进行研究?这极大地推动了材料断裂力学及冲击动力学的发展?在连续损伤力学方面?固体材料的损伤因子可定义为:()其中?为损伤前冲击面内主要承载单元总量?为损伤后冲击面内主要承载单元体数量?损伤度表征材料的损伤程度?本文可通过通用后处理软件来提取相关结果?由诸多试验及数值研究可知损伤度与诸多因素相关?它是材料力学特征与外界加载制度的耦合?通过固体材料的加载试验所得数据可知固体材料的损伤度符合指数关系?即?()()其中?与为材料的损伤因子?其为材料力学特征值及加载制度相关的函数?与损伤度相对应?缓冲材料的损伤承载系数?该参数表示材料在冲击损伤过程中材料的有效承载能力?其与损伤度满足?()()由于冲击荷载的作用时间极短?材料的动态冲击响应瞬间完成?因此对缓冲材料而言?分析不同加载制度对于材料的损伤历程演化具有重要意义?故本文选取损伤率?来表征固态材料的损伤演化过程?()?(?)(?)()其中?为冲击系数?该值与冲击荷载的加载制度类型有关?数值模型与冲击试验.数值模型建立图混凝土试块及数值模型.本文取工程应用较为广泛的混凝土为代表?分析加载制度对轻型骨料混凝土的冲击动力学特性的影响?由于混凝土是由水泥砂浆柔性骨料拌制而成?骨料在基质中呈随机分布?为合理描述胶凝基质复合材料的非均质性?本文假定柔性骨料的分布满足分布?建立基于蒙特卡罗法的骨料随机投放数值模型?同时利用数学软件生成将骨料粒径?含量的骨料随机投放至空间范围内的二维随机骨料投放模型?将骨料投放模型导入有限元分析软件?生成混凝土数值模型?数值模型图以及按照文献所报道的试件制作方法所得到的试件如图所示?有限元分析软件(本文为)由于其丰富的分析模块及材料库?因此对物理场中较为复杂的非线性动态问题的求解具有相对可靠的分析结果?对于混凝土数值模型的材料本构关系设置为塑性随动强化模型(模型)?该模型对冲击荷载的求解具有明显优势?胶凝基质及骨料模型的材料参第期马巍等:基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能数以前期静载试验结果为依据进行选取?胶凝基质参数分别为:密度?弹性模量.?泊松比.?屈服应力?断裂应变阈值.?柔性骨料参数为:密度.?弹性模量.?泊松比.?屈服应力为.?计算模型单元选用单元?该单元为四节点空间薄壳单元?此外?沿厚度方向积分点设置为?剪切系数设为.?为反映构件在冲击工况下材料翘曲现象?选用算法?接触类型设置为单面自动接触?摩擦系数为.?在试件的上下两端分别设置刚体?下端刚体固定?上端刚体承受冲压荷载?图冲击试验脉冲信号.数值模拟及模型验证参照冲击试验及落锤试验?数值模型采取底部约束?上部加刚性体来保证数值模型在高速冲击下受力均匀?考虑骨料与胶凝基质间的粘结效应?设置两者界面间的接触方式为单面自动接触?在冲击荷载加载制度选取方面?参照冲击试验中试件在冲击波作用下的脉冲信号随时间变化的波动关系?如图所示?为保证不同加载制度具有可比性?本文采用冲击速度对加载时间积分恒定的峰值荷载?各冲击荷载的加载曲线如图所示?冲击荷载的时间节点如表所示?图冲击荷载加载制度()类冲击制度?()类冲击制度.()?()表冲击加载制度./(/)/.注:各组冲击加载制度均满足()?为验证该数值模型的有效性?将数值模型按照冲击试验及文献落锤试验进行调整?分别得到两种冲击试验与其相应的数值模型的应力应变关系?如图所示?同时?对于该材料在冲击试验及冲击模拟下的失效类型的对比在图中给出?在图中?冲压试验与数值模拟所得应力应变关系在应力下降段专题论文硅酸盐通报第卷出现偏差?其中试验应力应变曲线略高于数值模拟?该现象的原因为在本文数值模型的混凝土本构关系中引入损伤变量?即设置阈值应变.?当单元应变超过阈值时将其视为实效?在整个加载过程中?实效单元不具有承载能力?而在冲压试验中?实效块体并未完全清除?其仍可承受载荷?通过应力应变关系及破坏类型对比可知该数值模型在冲击荷载下的动态冲击响应与冲击试验结果较为吻合?图应力应变关系.图失效类型.结果与讨论.冲击吸能以混凝土为代表的轻型骨料混凝土在冲击荷载下具有优良的耗能特性?该类材料的冲击响应会随着加载制度的改变而发生变化?图、图分别为混凝土在两种不同类型冲击制度下的能量吸收演化历程及冲击势能吸收值?图缓冲材料动态耗能历程()类冲击制度?()类冲击制度.()?()图冲击耗能()类冲击制度?()类冲击制度.()?()通过图、图可知加载制度对材料动态响应具有显著影响?当冲击峰值速度一致时?在冲击历程早期?该材料对冲击势能的转化能力随着峰值速度时间的延长而下降?但是在冲击历程的末期?两者之间的关系恰好相反?如图()、()所示?冲击峰值位于中间阶段的加载制度(即和)作用下?材料的耗能第期马巍等:基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能特性可提升约左右?当冲击动能一致而加载时间和峰值速度变化时?冲击时间越短(也即峰值速度越快)材料在早期阶段的能量耗散能力越弱?而到加载末期其能量耗散能力却呈现相对增强的趋势?就能量耗散总量而言?相同材料在型冲击荷载(/?)和型冲击荷载(/?)作用下?其动能吸收量相差约?各工况下的材料动能耗散情况如表所列?从材料整体耗能的宏观角度而言?相同力学属性的缓冲材料在冲击荷载下的耗能特性随着峰值时间的延长呈现先增强而后减弱的趋势?该类材料对于峰值速度发生于加载历程中部的冲击荷载的冲击势能的吸收转化能力最强?同样?对于加载时间逐渐延长的冲击荷载而言?该材料的动态耗能性能呈先增强而后趋于平缓?缓冲材料在冲击荷载作用下的动态响应是加载时程与冲击速度的耦合作用?冲击速度越快?表明冲击势能的输入效率越高?从而导致冲击服役材料具有充足的势能来消除分子间范德华力对于微粒的约束?同时材料微粒间初始损伤一旦出现即意味着材料颗粒间的粘结势能出现弱化?而这对于该缓冲材料通过胶凝基质断裂屈曲及柔性骨料挤压变形等主要形式将冲击势能转化为材料势能产生较大推动作用?另一方面?加载时间越长?表明服役材料动态响应越充分?相对于较短加载时间而言服役材料能够相对充分地利用材料特性进行能量熵变及自身热活化能的转化?局部而言?峰值速度产生时间提前或延迟都使得加载历程期间冲击加速度相对离散化?而这将导致材料动态响应产生波动?进而使材料的动态耗能特性呈现相对两极化?严重弱化了其整体材料的动态耗能特性?在相同冲击势能下?固体材料得屈服特性及损伤演化具有累计性?一旦超过其临界状态?材料的冲击服役性能将被严重弱化?这表明加载后期阶段的动态耗能效率相对于初期阶段将有所增强?也即加载历程中位于冲击峰值之后的时间越长?对于整体材料冲击能量的耗散越相对有利?反之亦然?表不同加载制度下材料冲击耗能./(/)/.动态损伤以水泥为胶凝基质与轻型骨料拌制而成的轻骨料混凝土在冲击荷载下产生裂纹并衍生成裂缝进而导致材料失效的过程是该类材料主要的缓冲途径?探索不同冲击制度下该类材料损伤的演化历程及其影响因素对于该类材料的优化设计及推广具有较大应用价值?图?图及图分别为混凝土在不同冲击制度下的承载能力退化过程、损伤率及损伤度?通过图可以看出在冲击势能差距较小前提下?提高冲击峰值速度或延长加载时间对于缓冲材料服役性能的弱化过程具有明显影响?当冲击峰值速度不变仅仅推迟峰值速度时间时(即类加载制度)?其对该材料服役性能的弱化主要体现在弱化速率上?而在弱化程度上差异并不显著?当峰值时间越早?材料在服役期间的弱化速度越快?随着峰值时间的延迟?材料的弱化速度趋于稳定?另一方面?当延长冲击时间时(类加载制度)?即使峰值速度不同?但是材料的损伤弱化的前期阶段并无明显差异(如图()所示)?当材料进入服役后期时?其损伤弱化的演变速度随着加载时间的延长而趋于平缓?同时?综合考虑图()与图()可知材专题论文硅酸盐通报第卷料服役时间越短(即峰值速度越快)?其服役性能受冲击损伤而导致的材料弱化越严重?本文中?类荷载的加载时长为.?材料在该荷载下的损伤度为.?当加载时长增加到时?材料所对应的损伤度为.?对于该类材料在损伤弱化期间?材料的损伤速度则随着峰值时间的推延及加载时间的增加而呈现有两极分化向整体均匀化过渡?同时?图()、()表明材料损伤率峰值与加载速度峰值具有明显一致性?即冲击峰值时间越提前?速度越快?材料损伤率峰值出现的时间节点越早?且其值也越大?在相同冲击势能下?材料在和加载制度下的损伤率最高?这表明冲击峰值的提前或冲击速度的提高将加剧材料的抗冲击性能?从整体材料的极限损伤度来看?两种荷载对于材料宏观损伤度的映射关系也有较大区别?冲击峰值时间在荷载作用历程中期时?材料的损伤度明显高于其他冲击制度?对于类加载制度而言?材料的极限损伤度随着加载时间延长而以指数衰减方式降低?材料损伤度与加载时程之间的衰减关系符合式()?该结果与文献中相关报道相吻合?(/)()其中?为冲击损伤初始系数与材料的力学属性相关?与分别于峰值速度及加载时间相关的损伤因子?其参数可通过材料冲击试验数学统计分析获取?在本文中为.?为.?为.?图冲击损伤承载演化()类冲击制度?()类冲击制度.()?()图损伤率()类冲击制度?()类冲击制度.()?()图损伤度()类冲击制度?()类冲击制度.()?()第期马巍等:基于不同加载制度的轻骨料混凝土动态冲击性能对于本文中相同材料属性不同加载制度下的材料响应?将第一种加载制度代入式()?即公式中.?计算所得该材料的损伤度为.?该计算结果与图()中不同冲击峰值时间的加载制度作用下的损伤度平均值误差仅为.?说明该公式对于冲击荷载下的损伤度具有相对可靠的预测能力?缓冲材料在冲击荷载下的损伤演化过程受加载制度影响较大?其主要影响因素可归结为峰值荷载与作用时程?在相同的冲击势能前提下?加载时间越长意味着其峰值速度越慢?对于缓冲材料而言?降低冲击峰值速度有助于延缓材料微粒间粘结势能的退化?延长加载时间对于充分发挥柔性骨料变形特性以及冲击应力在胶凝基质内充分耗散避免在微粒群内部产生应力集中具有促进作用?这都有助于缓冲材料充分发挥胶凝基质与柔性骨料的材料优势?减缓整体材料在冲击荷载下的损伤程度?提高其加载历程中的有效服役性能?而对于冲击时间与冲击峰值不变的加载制度?峰值时间的提前或延后对于材料损伤的影响相对较小?冲击峰值速度越快?意味着冲击势能的输入效率越高?材料粘结势能的释放越快?与此相应?峰值速度的提前表明材料的粘结势能在早期阶段的释放速率较快?而后期阶段较慢?其对于整体冲击历程过程中的粘结势能释放以及材料的极限损伤度影响相对较小?反之亦然?对于缓冲材料而言?冲击峰值速度出现在加载过程中期阶段且峰值速度大?作用时间短的冲击制度作用下材料的损伤程度较为严重?在工程应用中?对于结构的防护可以采取异形拓扑缓冲构件或增加缓冲时程来避免峰值速度产生于中期阶段?同时延长冲击荷载对目标构筑物的作用时间?.等效耗能密度图冲击耗能密度.冲击制度不仅影响以混凝土为代表的缓冲材料整体的动态缓冲特性?同时也影响该类材料细观维度上的能量耗散性能?综合考虑材料动态损伤及整体耗能?通过计算材料在不同加载制度作用下的等效耗能密度来评定缓冲材料对不同冲击制度的缓冲耗能特性?图为混凝土在两种类型加载制度作用下的等效耗能密度响应谱?通过图可知在冲击势能相同的前提下?材料的动态冲击耗能性能在不同加载制度作用下的变化趋势?即材料的动态耗能特性随着冲击加载历程的延长呈现先增强而后降低的趋势?同时?缓冲材料在冲击峰值产生于加载历程中期阶段的冲击荷载作用下的动态缓冲性能最为优良?材料服役性能最为充分