混凝土动态力学特性的研究方法

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摘 要:混凝土作为一种防护材料,在动态冲击的防护性能研究方法进行较系统的阐述,对以后混凝土防冲击研究有理论指导作用。

关键词:防护;冲击;方法

面对各种钻地武器的发展,防护工程一方面要依靠伪装、隐蔽、欺骗、障碍、拦截、干扰等措施避免和减少直接命中;另一方面要提高工程抗力,特别是防护设施的出入口及连接地面的通道等薄弱环节,要提高对直接命中的防护。

混凝土是世界上最为广泛应用的建筑材料,和其它结构材料相比有很多优点。混凝土对高速冲击的动态反应研究,无论在国内还是在国际上都受到很大重视。混凝土在动力荷载作用下,一般将表现出与在静态情况下不同的力学行为。它除了与荷载的大小有关外,还与施加的荷载速度或材料的变形速度有很大关系。材料在冲击载荷作用下的动态力学性能对研究材料的塑性流动、微观变形原理、断裂机制及抗冲击效能等都有重要的理论价值。

(1)液压法

混凝土动态抗压强度是混凝土抗压强度的一个重要指标。人们对混凝土特性与加载率关系的研究已经有九十余年的历史,据文献[12]报导,最早研究混凝土动态压缩强度的方法是液压法,但由于系统本身的局限性,其应变率较低,不能算真正意义上的动态实验。

(2)落锤法

后来,人们采用落锤法,其应变率有了一定程度的提高。但是由于落锤本身的惯性加载的影响不能得到合理的处理,从而使实验结果误差较大,致使所测到的实验结果很难确保是材料动态性能的真实反应。

(3)SHPB实验研究

为了较精确的测定混凝土材料的动态力学性能,人们采用了Kolsky改进的分离式Hopkinson压杆,并相继建起了大尺寸SHPB装置。

1966年,Goldsmith等人[1]用Hopkinson杆研究了撞击加载时混凝土的响应,通过对一维应力波在柱形试样中的传播和衰减规律研究,提出一种描述混凝土在较低应力状态下动态特性的模型。

1986年,Malvern等人[2]在提交给AFOSR的最终报告中,报导了经过三年的研究,得出的高强度混凝土(=110MPa)动态实验的结果:①无约束动态实验结果表明,混凝土具有很明显的应变率效应,在应变率为100/s量级时,极限动态强度是静态时的两倍。②对无约束试样的动态变形可分为三个阶段:本质上的弹性阶段,微裂纹广泛伸展阶段,应变软化阶段;对侧向约束的试样,达到屈服点后有一个应变硬化的过程。

1995年,Ross等人[3]应用SHPB对中等强度的混凝土进行了大应变率动态抗压和抗拉实验。实验结果,动态抗拉强度和动态抗压强度都随应变率的升高而升高,并发现一个引起动态强度较大增加的临界应变率,对于抗拉强度,这个临界值接近5/s;对于抗压强度,该临界值接近60/s。当超过临界值后,动态抗拉强度的增长幅度大于动态抗压强度增长的幅度。

SHPB实验技术是建立在两个基本假定基础上的,即一维假定和均匀假定。由于分离式Hopkinson压杆可研究材料在高应变率下(102～104/s)的力学性能,因此被广泛应用于材料的动态力学性能研究。

(4)空气炮

1971年,Gragson[1] 应用空气炮研究了较高应变率时混凝土的单向应变效应,并试图确定混凝土材料的冲击Hugoniot曲线,尽管他的研究不能说明混凝土的全部动态特性,但却提供了在较广泛的应力、应变、应变率范围内的特性,可以称为改进材料本构模型的起点。

(5)爆炸法

1985年到1986年,Gran等人[4]应用爆炸方法对中等强度(=41MPa)的混凝土进行了三向抗压实验,应变率从1/s到40/s,尽管数据的散布比较大,但其平均值显示出动态抗压强度随应变率增强的趋势。

参考文献

[1]Dynamic Triaxial Tests of High-Strength Concrete.Read H.E., et al.AD894240, 1971.

[2]Dynamic Response of Concrete and Concrete Structures.Malvern L.E., et al..AD-A173082, 1986.

[3]Effects of Strain Rate on Concrete Strength.Ross C.A. ,et al..ACI Materials Journal ,Vol.92,No. 1,1995.

[4]Dynamic Triaxial Tests of High-Strength Concrete.Gran J.K. , et al. ASCE, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 115,No.5.1989.