钢质套筒下混凝土材料动态力学性能研究

1、钢质套筒下混凝土材料动态力学性能研究摘要：为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律，实验采用分离式大直径（75mm）SHPB 实验技术，测试钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值，平均应变率，计算混凝土材料的损伤值，描述加载破坏现象，对实验结果进行分析。结果表明：混凝土材料在被动围压下，延性、抗破坏能力得到加强，具有明显的增强效应。具体表现为被动围压下中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB 实验中破坏应变的1.82.8 倍；破坏应力150MPa 以上，为静力学无围压条件下的25 倍。该试验和结论对于研究混凝土材料的安全防护和侧限约束下

2、的破坏规律具有一定的指导意义。关键词：应变率；加载速率；被动围压；混凝土；动态力学性能中图分类号 TU501 文献标识码 A0 引言现代混凝土结构除承受正常设计荷载外，往往还要承受诸如撞击、爆炸、振动等动荷载的作用。此外，海啸、旋风、火灾、侵蚀1 、地震2等自然灾害引起的混凝土结构所受的动力作用也受到了广泛的关注。上述动力作用均会使混凝土以高于静态许多量级的应变速率变形，并表现出与静态时不同的力学性能3。为了较精确地测定混凝土材料的动态力学性能，人们相继建起了76mm 的大尺寸SHPB4 ，50mm 和100mm 的SHPB5以及200mm200mm 的束型SHPB6等，并利用所测到的结果讨论

3、了应变率效应，骨料粒径的影响等。胡时胜、王道荣 7利用改装的直锥变截面74mm 的大尺寸的Hopkinson8压杆，对混凝土的应变率效应和损伤软化效应进行研究，并进而给出它的损伤型粘弹性动态本构方程。商霖等9,10 利用SHPB 压杆和轻气炮动力实验装置分别对混凝土材料和钢筋混凝土材料在冲击荷载作用下的力学性能进行了系统深入的研究。Gong11于1990 年对混凝土材料在被动围压下的动态力学性能进行了相关的研究，文中给出了被动围压下轴向应力应变曲线及试件的永久变形、残余强度。至于被动围压下轴向应力应变之间的关系及如何求得材料真实的弹性常数及动态屈服极限等，都尚待进一步研究与分析。施绍裘12研究

4、了在准一维应变下被动围压的SHPB 实验方法，分析了试件的径向变形，并讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系，同时考虑了试验中摩擦效应对围压下轴向应力应变关系的影响。刘建秀13,14利用被动围压SHPB 试验技术对摩擦材料的动态力学性能进行了研究，并对比了有围压与无围压条件下材料形变的差异，文献中给出了材料动态力学性能的差异，并未对形成差异的机理进行深入地研究。众多科研人员试图用带有被动围压装置地SHPB 试验技术对材料动态力学性能进行相关研究，但是被动围压下SHPB 实验理论、参数测试技术、数据分析处理等并未完善，还有待进一步研究。本文通过分离式Hopkinson 压杆（75mm

5、）的冲击压缩试验对钢质套筒被动围压下混凝土的动态力学性能进行研究。1 被动围压SHPB 实验原理及方案1.1 被动围压SHPB 实验原理被动围压下SHPB 实验装置如图1 所示，实验时材料的径向受到套筒的约束。在冲击加载过程中，由于被测的柱体试件的侧面有套筒约束的限制，改变了典型SHPB 实验中被测柱体试件一维应力的受力状态，柱体试件沿径向膨胀的变形受到套筒的限制，实际上在被动围压下SHPB 实验中试件的受力状态为三维的。实验中套筒、试件及压杆的拼装照片如图2所示，实验中须确保混凝土试件处于套筒的中心处。测速器应变片数据记录、处理系统超动态应变仪子弹平行光源应变片输入杆套筒试件输出杆吸收杆阻尼

6、器滤波器图1 被动围压SHPB 实验装置图Fig 1 Equipment of Passive Confined Pressure SHPB System图2 套筒、试件、压杆拼装照片Fig 2 Photo of the Installation of Sleeve, Sample and Pressure bar1.2 试验方案实验选用弹性模量为210GPa 的45钢，制作成厚度为3mm、半径为75mm，长度为110mm 的套筒对混凝土材料试件进行被动围压侧限，研究混凝土材料被动围压下冲击加载时动态力学性能。本实验以3mm 钢套筒为约束条件，主要是为获得足够的围压约束力同时保证试件在围压侧限

7、条件一致的情况下进行实验，有利于实验结果对比分析。实验混凝土材料试件长度为75mm，撞击杆的长度为800mm，打击杆入炮堂深度为2000mm。在五种的加载强度下（炮膛气压分别为0.8、1.2、1.6、2.0、2.4MPa）对C30、C40、C50、C60 四种混凝土强度标号材料试件分别进行3 次冲击实验。在冲击加载过程中，柱体试件沿径向膨胀的变形受到套筒的限制，这样就实现了试件的被动围压荷载。在套筒外表面粘贴半导体应变片，应变片的长边与套筒的轴向垂直，测出的信号和处理数据即是试件在径向的动态响应。主要测试出混凝土试件在不同冲击加载条件下的径向应力峰值 、轴向应变峰值z 、试件平均应变率及试件轴

8、向应力峰值r 等。2 钢质套筒被动围压实验结果及分析参照中华人民共和国国家标准普通混凝土力学性能实验方法标准；同时参考中华人民共和国行业标准水利水电工程岩石实验规程（SL264-2001）对不同试验使用的混凝土材料进行静态力学性能的测试，并与动力学性能参数进行对比研究。混凝土材料动弹性模量测试采用声波测试设备NM-3C 非金属超声波分析检测仪，从混凝土材料静力学实验结果来看, 随着配比强度的提高，相应的纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、动弹性模量等力学参数均表现出增加的趋势。2.1.实验结果在炮膛气压分别为0.8、1.2、1.6、2.0、2.4MPa 条件下，对C30、C40、C50、C60

9、四种混凝土强度标号材料试件分别进行三次冲击实验结果如表1 所示。表1 混凝土材料试件在不同气压下的实验结果Tab1Experimental result of steel sleeve under different air pressure标号编号压力(MPa )冲击速度(m/s)z (应力峰值)/MPa平均应变率(/S) r (应力峰值)/MPa损伤值D冲击加载破坏现象描述及其他C3001 0.8 7.21 185.96 39.92 57.65 0.28 外径边缘压碎,部分裂纹C3004 1.2 8.76 147.98 40.45 59.19 0.52 部分骨料开始脱落C3007 1.6

10、11.20 160.08 70.34 81.53 1.00 破碎为散体C3010 2.0 12.49 105.15 108.75 53.52 1.00 破碎为散体C30C3013 2.4 13.58 103.36 168.55 55.43 1.00 破碎为散体C4001 0.8 6.94 150.68 30.43 42.19 0.23 外径边缘压碎,部分裂纹C4004 1.2 8.94 174.21 38.60 64.91 0.46 裂纹扩大,部分骨料脱落C4007 1.6 9.43 158.81 54.68 62.47 0.78 骨料脱落,套筒变形可见C4010 2.0 12.52 172.

11、68 99.85 108.88 1.00 破碎为散体C40C4013 2.4 13.66 135.17 141.14 49.86 1.00 套筒变形过大,破碎为散体C5001 0.8 7.25 60.50 51.26 15.13 0.21 肉眼不见裂纹,完好C5004 1.2 9.10 104.13 55.69 34.36 0.42 出现肉眼可见裂纹C5007 1.6 10.29 132.70 60.15 67.86 0.65 裂纹扩大,浆体与骨料分离C5010 2.0 12.50 176.11 109.85 74.64 0.85 部分骨料开始脱落C50C5013 2.4 13.61 239.

12、23 135.91 60.87 1.00 破碎成大块C6001 0.8 6.95 196.51 39.71 45.20 0.15 肉眼不见裂纹,完好C6004 1.2 8.46 163.16 72.34 73.84 0.35 出现肉眼可见裂纹C6007 1.6 10.64 185.33 89.36 90.25 0.62 裂纹扩大,浆体与骨料分离C6010 2.0 12.75 210.58 120.09 130.14 0.76 部分骨料开始脱落C60C6013 2.4 13.11 207.94 120.86 95.05 1.00 破碎成大块注：损伤变量D，当D0 时，表明测点部位的材料没有损伤；

13、当D1 时，表明测点部位已经破坏并失去了承载能力。0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000020406080100120140160180200220stress (Mpa)strain ()40/S56/S73/S103/S165/S0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000020406080100120140160180200220stress (Mpa)strain ()170/S112/S78/S58/S40/S图3 C30 混凝土不同应变率下的应力

14、应变曲线 图4 C40 混凝土不同应变率下的应力应变曲线Fig3 Stress-Strain curves of C30 concrete Fig4 Stress-Strain curves of C40 concreteunder different strain ratio under different strain ratio三个C30 混凝土材料试件C3007、C3008 和C3009 在炮堂气压为1.6MPa 时分别进行冲击实验结果详见图5。0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000020406080100120140160180st

15、ress (MPa)strain ()C3007C3008C3009A1B1C1A2B2C2A3B3 C1O0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 2000009182736455463728190stress (MPa)strain ()C3007C3008C3009图5 C3007C3009 轴向、径向应力应变曲线Fig5 Axial and radial stress-strain curve of C3007-C30092.2 实验结果分析（1）由表1 可知同一强度标号混凝土随着冲击加载速度的增加，材料的破坏应力也在增加，

16、混凝土材料的破坏应变增加的幅度并不明显。径向应力峰值也存在同样的规律，即随着冲击加载速度的增加，其破坏的径向应力逐渐增大。在冲击速度较低时，破坏应力的增加幅度相对较大，在冲击速度较大时破坏应力增加的幅度逐渐减小，最后趋于平衡化。（2）图3、4 给出了C30、C40 混凝土材料在不同应变率条件下的轴向应力应变曲线。由图3、4 可知，随着应变率的增加混凝土材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变等相应地提高。可以从两个方面来理解：从能量的角度来看，混凝土材料的破坏是由于裂纹的产生和发展而导致的，依据断裂力学15，16的观点，相对于裂纹发展所需要的能量，裂纹形成过程中所需要的能量远比裂纹在发展过程中所

17、需要的能量高，加载速度越高产生裂纹数目就越多，因而耗散能量就越多。高应变率下，荷载作用时间很短，混凝土材料没有充分足够的时间用于能量的积累，所以只有通过增加应力的方法来提供能量达到目的，使混凝土材料的刚度、强度随应变率的增加而增加。从损伤力学的角度来看，高应变率下混凝土材料出现了两种效应：应变率强化效应和损伤软化效应。在惯性效应的作用下，微裂纹需要时间来相互贯穿，损伤软化效应会出现滞后现象，而此时的应变率强化效应却在提高。高应变率下，混凝土材料的损伤软化效应滞后延缓了混凝土的损伤软化效应，从而延缓了混凝土的破坏，相应地提高了混凝土材料的刚度和强度。（3）在图5 中，依据C3007C3009 轴

18、向应力应变曲线的变化趋势，分别在曲线划分出了OA 段，AB 段，BC 段。通过对各段的分析，轴向应力应变曲线具有如下特点：在曲线的开始阶段（OA 段），基本为直线段。随着轴向应变的增大，轴向应力增加的速度较快，由此弹性阶段获得的混凝土轴向动态弹性模量较大，在50150Gpa 之间，相对于静力学实验中相应的平均动弹模的25 倍；这和以往文献中给出的具有增强效应是一致的，只是增强的幅度不同而已，这与侧限约束作用有关。当应力超过B 点之后，应力应变曲线进入了AB 段。此段的应力应变曲线相对OA 段变得较缓，此时随着应变的增加应力增加的幅度逐渐减弱，混凝土材料进入了弹塑性阶段。依据经典弹塑性力学的观点

19、，混凝土材料产生了不可恢复的变形塑性变形。当应变对应点超过B 点之后，在BC 段内曲线出现了平缓下降的过程，此段混凝土材料经历了塑性变形到材料破坏的过程，开始下降点为混凝土材料破坏点，此时的应力应变为混凝土材料在被动围压下破坏的应力应变。一般认为混凝土材料的破坏应变在5000 个微应变（0.5%）17，从图5 中在被动围压实验中混凝土材料的破坏应变在900014000 之间，是典型SHPB 实验中破坏应变的1.82.8 倍。表明混凝土材料在套筒约束下混凝土材料的延性增强了，抗破坏能力得到加强。在被动围压冲击加载条件下，混凝土材料的动态力学性能显示出明显的各向异性。在轴向受到冲击加载情况下，径向

20、所显示的应力和应变与轴向的明显存在差异；相比之下，在动态冲击加载的过程中，混凝土的各向异性程度比静态条件下大很多。动态破坏应力与静态载荷相比，存在较大的差别。静力学实验单轴抗压强度在50MPa84MPa 之间，而在被动围压条件下，混凝土材料发生破坏的轴向应力均达到150MPa以上，为相应的平均静力学无围压条件下的25 倍。说明，混凝土材料在被动围压下，具有明显的增强效应。3 结论1）在被动围压下，在冲击速度较低时，破坏应力的增加幅度相对较大，在冲击速度较大时破坏应力增加的幅度逐渐减小，最后趋于平衡化。2）在被动围压下，混凝土材料刚度、强度和抗破坏能力得到加强，具有明显的增强效应。具体表现为被动

21、围压下中混凝土材料的破坏应变为900014000 之间为典型SHPB实验中破坏应变的1.82.8 倍；破坏应力150MPa 以上，为相应的平均静力学无围压条件下的25 倍。3）在被动围压下，混凝土材料的刚度、强度随应变率的增加而增加，表现出明显的应变率强化效应和损伤软化效应，随着应变率的增加混凝土材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变等相应地提高。在低应变率的情况下，增加的幅度较大，在高应变率的条件下，增加的幅度相对变小了，有时则会出现应变率效应减弱的现象。参考文献1王信刚,马保国.地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究J.中国矿业大学学报,2008,37（03）72-77.WANG Xin-

22、gang; MA Bao-guo. Study of performance and functionally gradient design ofconcrete used in Underground Engineering. Journal of China University of Mining & Technology, 2008,37（03）72-772庄金钊,高小旺,杨仁树.高层钢-混凝土结构连接方式对抗震性能影响J.中国矿业大学学报2005,34（05）：118-123.ZHUANG Jin-zhao, GAO Xiao-wang,YANG Ren-shu. Effect o

23、f connected forms of tall steel-concrete mixedstructure on anti-seismic performanceJ. Journal of China University of Mining & Technology, 2005,34（05）：118-123.3邹凌,邹循华,吴志飞.混凝土材料的动态性能研究现状J. 山西建筑,2007,33(32):155-156.ZOU Ling, ZOU Xun-hua, WU Zhi-fei. Researching actuality of concrete materials motive fu

24、nctionJ. ShanxiArchitecture, 2007,33(32):155-156.4Malvern L E，Tang T，Jenkins D ADynamic Compressive Strength of Cement MaterialAMindess Seta1CementBased Composites：Strain Rate Efects on FractureCPittsburg：Material Research Society，1986，64：119-1385 Bhargava JRhmstrom ADynamic Strength of Polymer Modi

25、fied and Fiber-reinforced ConcreteJCementConcr Res1977,7：l99-2086 Albertini C，Cadoni E，Labibes KImpact Fracture Process and Mechanical Properties of Plain Concrete byMeans of an Hopkinson Bar BundleRColloque C3，Supplement au Lournal de Physique 11I daout 1997：915-920.7 胡时胜,王道荣.冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系J.爆炸与

26、冲击,2002,22(3):242-246.HU Shi-sheng ,WANG Dao-rong. Dynamic constitutive relation of concrete under impactJ. Explosion and ShockWaves, 2002,22(3):242-246.8 刘孝敏,胡时胜应力脉冲在变截面SHPB 锥杆中的传播特性J爆炸与冲击，2000，20(2)：110114.LIU Xiao- min, HU Shi- sheng. Wave propagation characteristics in cone bars used for variabl

27、e cross sectionSHPBJ. Explosion and Shock Waves, 2000,20(2)：110114.In order to study the concrete material at the steel sleeve side constraints limit the dynamic mechanicalproperties and damage parameters of the law, experimental use of discrete large-diameter (75mm)SHPB experimental technique to test the steel sleeve-side constraints limit the different concre