冲击荷载下AFRP约束混凝土的动态力学特性及其应用.pdf

2 0 1 4年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 7 J u l y 冲击荷载下A F R P约束混凝土的动态力学特性及其应用 杨 慧 ， 张 师 ， 刘瑶 志 ， 丁 力 ， 乔 忆炜 ( 1 空军工程大学航空航天工程学院， 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 济南军 区联勤部 ， 2 5 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 为探 究芳纶纤维增 强复合材料 ( A F RP ) 约束混凝土 的动 态冲击 力学性能 ， 采 用 l O O u u n S HP B试验 系 统对 C 3 0 、 C4 0 、 C 5 O三种基体强度 等级的 AF RP约束混凝土进行 了动 态冲击试 验 ， 得到 了动态试验下的应 力一 应 变 曲线。试验 结果表 明 。 高应 变率冲击下 ， A F RP约束条件 显著 延长 了混凝土试件 的弹塑性 阶段 ， 其延性 、 强度都有 明 显提 高 ， 并表现 出应 力率强化效应 ； 约束层数 的增加和基体 混凝 土强度的增 大也有助 于提 高 A F RP约束混凝土 的抗 冲击性能。 关键词 ： 芳纶纤维 ； 约束混凝土 ； S HP B； 动态冲击 ； 抗震结构 I 防护结构 A b s t r a c t ： I n o r d e r t o e x p l o r e t h e d y n a mi c i m p a c t m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f A r a mi d F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r ( A F R P ) c o n fi n e d c o n c r e t e ， t h e a y n a m i c i mp a c t t e s t s o f A F R P c o n fi n e d c o n c r e t e ( C 3 0 ， C 4 0 ， C 5 0 ) w a s c a r r i e d o u t b y u s i n g t h e 01 0 0 mm S HP B t e s t s y s t e m a n d t h e d y n a mi c s t r e s s s t r a i n c u r v e s we r e o b t a i n e d T h e t e s t res u l t s s h o w t h a t u n d e r t h e i m p a c t o f h i g h s t r a i n r a t e s ， AF R P c o n s t r a i n t s c a n s i g n i f i c a n t l y e x t e n d the e l a s t i c p l a s t i c s t a g e o f c o n c r e t e s p e c i me n s ， a n d t h e d u c t i l i t y a n d s t r e n g t h o f t h e c o n c ret e i mp r o v e s s i g n i f i c a n t l y ， me a n w h i l e ， i t s h o w s the s t r e s s h a r d e n i n g e f f e c t ； I n a d d i t i o n ， t h e i n c r e a s e o f fi b e r c l o t h l a y e r s a n d t h e s tr e n g t h of c o r e c o n c r e t e a l s o c o n t r i b u t e t o i mp r o v i n g t h e i mp a c t r e s i s t a n c e o f AFR P c o nfi n e d c o n c r e t e Ke y wo r d s ： AF RP ； C o n fi n e d c o n c r e t e ； S HP B ； Dy n a mi c i mp a c t ； S e i s mi c s t r u c t u r e ； P rot e c t i v e s t ruc t u r e 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 7 5 3 0 4 0前 言 混凝土作为应用最广泛 的建筑材料 ， 其抗拉能 力远弱于抗压能力 的缺陷 已引起研究学者的广泛 关注。芳纶纤维增强复合材料( A r a mi d F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r A F R P )是一种集诸多优点于一身的 优质建筑加 固材料 ，能有效提高混凝土 的抗压强 度 。 具有广阔的应用前景【 。相较于其他纤维增强 复合材料 ， A F R P约束混凝 土最大 的优点在 于破坏 前有 明显征兆 。 在高应变率冲击作 用下 ， 能有效地 吸收轴向应变能和纵 向动能【 ” 。近年来 ， 建筑结构的 工作状态及工作环境愈加复杂 ，时常会遭受地震 、 爆炸和冲击荷载的损伤。因此 ， 研究混凝土在冲击 荷 载下 的动 态力学特 性是 十分 必要 的。 目前 ， 对 A F R P混凝土的研究主要集中在准静态力学性能方 面 ， 如贺玲凤等口 对其静态抗压性能进行 了研究 ， 取得 了大量成果 ， 但关 于其动态性能的研究还较少 报道。 为探究 AF R P约束混凝 土的动态力学性能 ， 本 文采 用 Ol O O m m 分离 式 霍 普金 森 压 杆试 验 系 统 ( S p l i t H o p k i n s o n P r e s s u r e B a x ， S H P B) ，研究 了不 同 应变 率条 件下 C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0三 种基 体混 凝 土在 基金项 目： 空军工程大学研究生创新基金 ( k g c x 1 1 0 0 3 ) 。 A F R P约束前后的动态力学特性 ，并结合试 验得出 的应力一 应变曲线对其增强机理进行 了分析 。本研 究结论可为 A F R P约束混凝土在受冲击荷载建筑 中 的应用提供理论依据和技术指导 。 1 AF R P约束 混凝 土 的 S HP B试 验 1 1 原材 料及试 件 制作 根据试 验要求 和 目的配制 C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0三种 不 同强度混凝土作为 A F R P约束混凝土的基体。原 材料为 ： P O 4 2 5 R水泥 ： 粒径 5 2 0 mm的石灰岩碎 石 ； 细度模数为 2 7 8的中砂 ； 西安某公司产 9 7型微 硅粉 ： 广州某公司产 F D N高效减水剂 ； 北京某公 司 产 C A S 一 4 1 5型单 向布单 向芳纶纤维布和 C F S R A B 型树脂胶 。 各项性能指标见表 1 。经计算 、 试配与调 整 。 最后确定的各强度混凝土配合 比见表 2 。 表 1 芳纶纤维布及浸渍树脂胶 的性能指标 根据试验装置原理和材料特性 ，设计 A F R P约 束混凝土动态冲击试验试件为圆柱体 ， 尺寸为 09 7 m mx 4 8 m m。经过 2 8 d 标 准养护后进行混凝土试件 一 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 9期 表 2 试 验用混凝 土配合比 k g m： 强度 水 水泥 砂 石 F D N微硅粉坍落 度 mm 的切割与打磨 ， 以满足尺寸要求 。根据试验设计 ， 对 三 种 基 体 强 度 的 混 凝 土 试 件 分 别 进 行 1 3层 的 A F R P纤维布侧面全包粘贴 ，搭接长度为 l 5 且不 小 于 1 0 0 mm。 1 2试 验装 置 分离式霍普金森压杆 ( S H P B ) 装置能够实现单 轴高应变率加载 ， 且测量应力和应变 的方法简单有 效 试验技术 和分 析方法也 比较 成熟 ， 该装置 的示 意 图见 图 l 。 为提高试验精度 ，保证试验结果的可靠性 ， 需 满足应力均匀性要求。为此 ， 采用了波形整形器技 术6 3 。 即在入射杆打击面 中心处粘贴厚度为 l mm， 直 径 分 别 为 2 2 、 2 5 、 2 7 、 3 0 、 3 5 、 4 0 ram 的 H 6 2黄 铜 波 形 整形器 ， 整形器 尺寸与不 同的弹速等级 以及试件类 型相对应 目的是实现近似恒应变率加载 ， 从而便 于试验结果 的对 比分析。在整形器受 到冲击时 ， 黄 铜 片 发 生 塑性 变形 。 吸 收部 分 能 量 ， 从 而 延 长 了入 射波上升延时 ， 可保证试件有充足时间达到应力均 匀 并减小弥散效应对试验结果的干扰。 设备基座 支架 图 1 S H P B主体设备示意 图 2试 验结 果分 析 2 1 应力一 应变曲线分析 图 2为各试件 的应力一 应变关系曲线 。 分析图 2 可发现试件的应力一 应变 曲线表现出如下特点 ： ( 1 ) 对曲线的上升段而言 ， 由于 A F R P纤维布的 约束作用 ， 初始直线段加长 ， 且增长趋势变得平缓 ， 这意味着 A F R P约束混凝土相较于素混凝土具有更 好 的抵抗变形能力 ； 而横 向来看 ， 随着应变率 的增 加 ， A F R P约束混凝土的动弹性模量变化不大。 ( 2 ) 上升段之后 即进入混凝土试件的弹塑性阶 段 ，在此 阶段混凝土发生不可恢复 的塑性变形 ， 高 应变率下 的应力一 应变 曲线面积明显要 比低应变率 时大很多7 1 ， 弹塑性段也延长很多 。纵向比较图 2可 见 ， 平均应变率在 4 0 7 0 s 之间时 ， A F R P约束混凝 土的破坏应变普遍达到了( 1 0 1 5 ) x l 0 之间 是素 混凝土试件破坏应变的 2 3倍 ， 且破坏应变 随应变 率 的增大而增大 ，当平均应变率在 1 0 0 1 5 0 s 之间 时 ， 最高破坏应变达到 了 3 5 x 1 0 是 素混凝 土的 7 倍 ； 同时 ， 试件的动态峰值应力也随着应变率的增 大而增大， 与素混凝土相比 ， A F R P约束混凝土的应 变率效应表现得更明显 。 ( 3 ) 弹塑性 阶段之后 是破坏 阶段 ， 此 时 。 A F R P 约束混凝土的应力一 应变曲线迅速下降 表现 出很 明显 的脆性破坏 。 而素混凝土试件反而较为平缓地 下降到 0 。出现该现象的原因是 ： A F R P纤维布包裹 下的混凝土试件其实在下降段之前 已经发生局部 5 4 破坏。 但 由于 A F R P纤维布的侧向约束作用 ， 仍然能 够作为一个整体继续承载 ，直至纤维布被拉断 ， 侧 向约束解除 ， A F R P约束混凝土的承载力迅速下降 ， 表现为应力一 应变曲线中的近乎直线下降。 2 2 A F R P约束层数 的影响 为方便分析不同约束层数对 A F R P约束混凝土 动 态 峰值 应 力 的影 响 。 取 相 同基 体 强 度 、 相 似 应 变 率条件下( 平均应变率对数在 1 8 1 9之 间) 试件 的 动态峰值应力制表 ， 见表 3 。 对比表 3数据可以看出， 随约束层数的增加 ， 相 似应变率条件下相同基体强度等级的 A F R P约束混 表 3 相似应变率条件下试件的动态峰值应力 舳 加 一 一 9 一 一 3 9 3 7 1 l l 6 5 4 5 5 6 6 9 5 3 4 5 5 5 5 加 0 O 0 3 4 5 C C C 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨慧 ， 张师 ， 刘瑶志， 等 冲击荷载下 A F R P约束混凝土的动态力学特性及其应用 8 0 6 0 4 o R 2 0 O 0 0 0 0 001 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应变 ( a ) C3 0素混凝土 - 6 24 1 s l 4 o 1 2 0 1 0 0 8 0 6 o 4 o 2 0 O 0 0 0 0 001 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应变 8 1 8 0 l 6 0 1 4 0 1 2 0 奚 2 0 O ( d ) C 3 0一层约束混凝土 0 0 0 0 001 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应变 8 2 0 0 1 8 0 1 6 0 曼： 4 1 0 o 8 0 6 0 4 0 2 O O ( g ) C 3 0二层约束混凝 土 0 0 0 0 0 01 0 0 0 2 0 0 O 3 O 0 0 4 0 应变 8 ( j ) C 3 0三层 约束混凝土 l s - t 1 9 s 一 7 2 s 一 1 0 0 日 8 0 鼍 6 o 4 0 2 0 0 O 0 o 0 0 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应变 8 ( b ) C 4 0素混凝 土 5 24 5 s 一 l 8 0 1 6 0 重 4 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 O O 0 0 0 0 0 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 8 ( e ) C 4 0一层约束混凝土 州 一 5 2 8 8 s 2 0 o 1 8 0 1 6 o 量 42 00 1 0 0 8 O 6 O 4 0 2 O 0 0 o o O 0 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 8 ( h ) C 4 0二层 约束混凝土 一6 3 6 5 8 2 o o 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 o 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 ( k ) C 4 0三层约束混凝土 图 2 各试件 的应力一 应变关系 曲线 凝土的动态峰值应力也得到了显著的提高。在动态 冲击荷载的作用下 ， A F R P的粘贴可 以有效提高混 凝土的抗力 ， 且峰值应力的增长幅度随约束层数的 增 加而 增大 。 2 3 基体混凝土强度等级的影响 为分析基体混凝土强度对 A F R P约束混凝土动 态峰值应力 的影响 将 相同约束层数 、 相似应变率 条件下的动态峰值应力绘制成 图( 图 3 ) 。由图 3可 见 。 在一定应变率范围内， 层数相 同的 A F R P约束混 凝土的峰值应力随着混凝土强度的增加而增加 ， 并 呈大致线性增长关系。这表明 A F R P约束混凝土是 一 种有效 的复合材料 其力学性能不仅取决于约束 材料的性能 同时还取决于被约束的混凝土的材料 专 00 0 0 0 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应变 8 ( c ) C 5 0素混凝土 5 0 0 1 s - 1 8 O 1 6 0 日1 4 0 皇 1 2 0 1 0 0 杂8 0 6 0 4 0 2 0 O 00 0 0 0 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 ( f ) c s o一层约束混凝土 一 5 6 7 4 s 1 6 0 萼 蒸 菩 2 z 4 0 0 0 o 0 0 01 0 0 O 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 8 ( i ) C 5 0二层 约束混凝 土 一6 5 2 0 s 2 o o 1 8 0 1 6 0 童 4： 1 0 0 8 O l 6 0 4 0 2 0 0 0 o ( ) o 0 0 1 0 0 o 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 应 变 8 ( 1 ) C 5 0三层约束混凝 土 C 3 0 C4 0 5 0 基体混凝土强度等级 图 3 相似应变率试件的峰值应力 特性 。提高被约束混凝土基体强度 同样 可以提 高 A F R P约束混凝土的整体抗冲击性能。 一 5 5一 加加O B d 如 m 舳 ； B d W 晕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 9期 3 AF RP增 强机 理分 析 ( 1 ) 在 A F R P纤维布侧向约束条件下 ， 混凝土侧 向膨胀 受到 良好 约束 试件 的破坏应力 、 破坏应变 大大提高 ，表明 AF R P约束作用对提升混凝土的延 性和抗破坏能力有 明显增强效应 。随着约束层数 的 增加 ， 试件 的峰值应力 同样增大 ， 这是 因为侧 向约 束力不断增加 ， 使得混凝土处于三向受压的应力状 态 裂缝 的发展受到有 效抑 制 。 当应力不 断加大直 至 纤 维 被 拉 断 此 时侧 向 约束 解 除 ， 混 凝 土发 生 整 体破坏 。 ( 2 ) 在材料的受力过程 中， 由于 A F R P约束的存 在 。 使得裂缝形成所需 的能量要 比普通混凝土大很 多 ， 而在高应变率加载下 ， 材料没有足 够的时间通 过形成裂缝来积 累能量 ， 只能靠增加应力值来达到 提供能量 的 目的8 1 ， 从 而促使试件 的破 坏强度 随应 变率的增加而增加 ， 表现出明显的应变率效应。 4 AF RP约束混凝土的工程应用 分析表 3可发现 ， 在相似应 变率 条件下 ( 反映 在实际工程中就意味着相似冲击作用下) ， C 3 0混凝 土试件包裹 2层纤维 布后 的动态峰值应力 就 已超 过包裹 l层 的 C 4 0混凝 土 。并且 与包 裹 2层 的 C 4 0 混凝土试件十分接近 ： 而包裹 1层的 C 4 0混凝土试 件 ， 其动态峰值应力就已经达到甚至超过 了 C 5 0素 混凝土。由图 2的分析可知 ， A F R P约束混凝土的动 态破 坏应 变 可达 到素 混凝 土 的 2 7倍 。考虑 到 A F R P纤维布具有施工效率高 施工机具简单 易控 制施工质量 对结构负担小等优势且成本较低 ， 将 其应用于抗震结构 、 防护 工程 等的加 固改造 。 具有 很大的经济意义。 ( 1 ) 加 固抗震结构 ： 我国是地震多发国家 ， 近几 年发生地震造成的人员和经济损失令 人震惊 ， 建筑 物的抗震性能引起了高度重视。过去一大批房屋未 考虑抗震设 防 ，或是因地区抗震设防烈度 的提高 ， 使对抗震结构的加固显得尤为重要9 。经试验发现 ， A F R P约束混凝土对建筑结构的抗震补强加 固十分 有效 ， A F R P约束在动态 冲击作用下提供 的高延性 能够有效提高地震荷载作用下建筑结构 的生存几 率 ， 提高结构 承载力 ， 降低 由于地震导致建筑物倒 塌引起的人员伤亡 ， 延长结构的使用年限。 ( 2 ) 加固防护工程 ： 防护工程的作用是保证 内 部人员与装备安全 ， 打击武器 的不断发展对防护工 程抗力提 出了更高的要求 。经过试验发现 ， 当受到 爆炸冲击 作用时 ， AF R P约束 能够增加混凝 土的强 度 ， 尤其在高应变率条件下 ， 高延性对结 构的抗 冲 击性能有 明显提升 。在应变率 为 1 0 2 s 时 各层 一 56一 A F R P约束 混 凝 土 的动 态 抗 压 强 度 均 在 1 4 0 MP a以 上 最高值可达到 2 0 0 MP a 。防护工程 中采用 A F R P 约束混凝土加 固可 以在普通高强混凝土 的基 础上 提高动态抗压强度 ， 以满足其对抗力的要求 。同时 可 以通过增加 约束层数来满 足不 断增加 的新抗力 要求 。有效解决普通高强混凝 土的脆性破坏问题 ， 增加防护工程结构的整体变形性 能 ， 提高工程 的综 合防护能力。 5结论 ( 1 ) 在高应变率 冲击下 ， A F R P约束条件显著延 长了混凝土试件 的弹塑性 阶段 ， 其延性 、 强度都有 明显提高 ， 并表现出应力率强化效应。 ( 2 ) 增加 A F R P约束层数和增大基体混凝 土的 强度等级 都有助于提高 A F R P约束混凝土的抗冲 击性能。 ( 3 )A F R P约束 混凝土提供的高延性在抗震结 构加固改造方面具有广 阔的发展前景 ， 能发挥重要 的经济效益。 ( 4 ) AF R P约束混凝 土能有效解决普通高强混 凝 土 在 防 护 工 程 中易 发 生 脆 性 破 坏 且 延 性 不 足 的 问题 。 增强防护工程整体变形性能 ， 提高工程综合 防护能力， 具有巨大军事效能 。 参考文献 ： 【 1 】 王元丰， 余流 芳纶纤 维布在 混凝 土结 构 中的应用 与发 展 J 】 公路 交通 科技 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 ) ： 9 1 9 5 2 杜修力， 张建伟 ， 邓宗才 预应 力 F R P加 固混凝土结构技 术 研究与应用f J 1 工程力学， 2 0 0 7 ， 2 4 ( I I ) ： 6 2 7 4 【 3 】 贺玲凤， 何唯平 芳纶纤维加 强混凝 土抗压性 能研究【 J 】 建 筑科学， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 6 ) ： 5 3 - 5 5 4 1 贺玲凤， 潘桂梅 芳纶纤维 约束混凝 土的力学 性能研 究 J 试验力学， 2 0 0 3 ， 1 8 ( 4 ) ： 5 3 8 5 4 2 【 5 】 李 史华， 贺玲凤， 罗毅， 等 芳纶纤维约 束混凝土 的力学性 能 研究 J 公路， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 2 3 6 2 3 9 【 6 1 李为 民， 许金 余， 沈刘军 ， 等 1 O O mm S H P B应 力 均匀及 恒 应 变率加 载试 验技术研 究I J 1 振动与 冲击， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 3 7 】 李胜 林， 刘殿 书， 杨俊， 等 碳纤维包裹 下混凝土 的动态力 学 性 能研究 J 】 公路交通科技， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 4 ) ： 2 2 2 7 8 李祥龙， 刘殿 书， 冯明德， 等 钢质套简 被动围压下混 凝土材 料的冲击 动态力学性能【 J 爆炸 与冲击， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 4 6 3 4 6 7 f 9 王慧英， 张季超 碳 纤维增 强材料 在结构 抗震 加 固中的应 用 J 】 山西建筑， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 6 ) ： 8 0 8 1 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 2 7 作者简介 ： 杨 慧( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 副教授 。 通讯地址 ： 陕西省西安市灞桥 区灞陵路 1 号 联 系电话 ： 1 3 5 7 1 8 3 7 8 2 4 E ma iI ： k g d z s t g 1 6 3 c o m 通讯作者 ： 张师 ( 1 3 5 7 1 8 3 7 8 2 4) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m