钢纤维掺量对钢纤维-钢筋混凝土板抗低速冲击性能影响研究.pdf

2 0 1 6年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC ：RE T E AND C EME NT P RO DUC T S 2 01 6 No 1 J a n u r a r y 钢纤维掺量对钢纤维一 钢筋混凝土板 抗低速冲击性能影响研究 武 卫， 秦 菱， 张 超， 张 勇， 王建武 ( 空军勤务学院机场工程与保障系， 徐州 2 2 1 0 0 0 ) 摘要 ： 钢 纤维混凝 土大量应用于军事防护工程 以防御 高速侵彻和爆炸 冲击， 钢纤维一 钢筋混凝土 结构在低 速 冲击作 用下的性能表现是 目前反 恐安全和 交通安全领域的重点研 究对象， 为此设计制作 了两种 配筋率下的钢纤维一 钢 筋混凝土板 用落锤试验仪模拟低速动荷 载对试件抗 冲击性能的影响 通过掺加 不 同比例的钢 纤维 ， 比对分析对 低 速 冲 击破 坏形 态和 荷 载 、 位 移和 能量 变化 规 律 得 出钢 纤 维 掺 量 对 钢 纤 维 _ 钢 筋 混凝 土板 抗 低 速 冲 击 性 能 的 影 响 。 关 键 词 ： 防 护 工程 ； 钢 纤 维 一 钢 筋 混凝 土 ； 低 速 冲 击 ； 钢 纤 维掺 量 Ab s t r a c t ：S t e e l fi b e r c o n c r e t e i s w i d e l y a p p l i e d f o r d e f e n s e h i g h s p e e d p e n e t r a t i o n a n d e x p l o s i o n s h o c k i n mi l i t a r y p r o t e c t i o n e n g i n e e r i n g ， p e r f o r ma n c e o f s t e e l fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e i s o n e of t h e k e y r e s e a r c h o b j e c t s i n t h e fi e l d of c o u n t e r t e r r o r i s m s a f e t y a n d t r affi c s a f e t y u n d e r t h e a c t i o n o f l o w v e l o c i t y i mp a c t s t e e 1 fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p l a t e wi t h t wo k i n d s o f r e i n f o r c e me n t r a t i o i s p r e p a r e d ，a n d i n f l u e n c e o n r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s o f s p e c i me n s i s s i mu l a t e d t o h i g h r o l l i n g d y n a mi c l o a d b y u s i n g t h e d r o p h a mme r t e s t a p p a r a t u s T h r o u g h a d d i n g d i f f e r e n t p r o p o r t i o n s o f s t e e l fi b e r ，a c o mp a r a t i v e a n a l y s i s o n th e c h a n g i n g l a w o f the l o w s p e e d i mp a c t S d a ma g e f o r m ， l o a d ， d i s p 1 a c e me n t a n d e n e r g y i s i v e n ， t h e i n fl u e n c e o f s t e e l fi b e r c o n t e n t o n l o w - v e l o c i t y i mp a c t r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p l a t e i s o b t a i n e d Ke y wo r d s ： P r o t e c t i o n wo s ； S t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p l a t e ； L o w- s p e e d i mp a c t ； S t e e l fi b e r c o n t e n t 中图分类号 ： T U5 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 6 ) 0 1 - 5 4 0 4 0前 言 防护工程发展至今结构设计基本不再是问题 ， 防护工程 的升级主要依赖新材料 的运用和制造工 艺 的提升。钢纤维混凝土具有优异的耐冲击 、 吸能 、 抗震性能 ， 可抵御高速侵彻 和爆 炸冲击 ， 实际工程 中常用于遮弹层或防护门的修建。在抗低速冲击或 事 故 型冲击 领 域 1 1 钢 纤维 一 钢 筋混凝 土用 于地 下 指 挥所楼板可提升构筑物防震塌性能 ， 设防场所 的防 暴挡墙 以抵御汽车撞击及核 电站外层结构 以防御 飞机冲撞等暴恐袭击。但类 冲击作用速度普遍低 于 7 5 r r d s 。 混凝土材料在高速冲击下的性能表现与低速 冲击截然不 同闭， 文献 3 通过落锤试验研究了纤 维 混凝土薄板 中纤维掺量与抗 冲击性能 的关系 ， 汤福 静和刘 聚磊分别利用落锤研究 了钢筋混凝 土梁 和 纤维混凝土梁韧性与抗冲击性能 。但 目前对配筋 情 况 下 钢 纤 维 混凝 土 板 的抗 低 速 冲 击 性 能 研 究 较 少 。研究材料掺量与抗 冲击性能的关系对进一步认 识钢纤维一 钢筋混凝土构件抗低速冲击特性和工程 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 5 0 8 5 6 5 ) 。 5 4 应用有一定 的现实意义。 1 试 验概 况 1 1 试件制备 试件尺寸 3 0 0 m mx 3 0 0 mm x 5 0 mm， 净跨 2 9 0 mm， 受拉部位对称布置 H P B 3 0 0钢筋 ，钢筋直径 5 m m， 钢筋 间距 分 为 6 0 m m 和 1 2 0 mm两 种 ，配 筋率 为 0 5 2 和 0 8 7 。 具体构造见 图 1 。试件基本材料有 ： C 3 0普通硅酸盐混凝土 ，水胶 比为 0 3 6 ；抗拉强度 1 2 0 0 MP a的弓形钢纤维 长径 比为 5 9 ， 钢纤维掺量 为 0 1 5 ； 粒径为 5 mm 1 5 mm的碎石 ； 砂率为 3 7 l J 3 05 宝 臣 蠖 【 5 05 宝 匠 歪 图 1 试件构造图( 单位 ： m m) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 武 卫 ， 秦菱 ， 张超 ， 等钢纤维掺量对钢纤维一 钢筋混凝土板抗低速冲击性能影响研究 表 3 第 2组试件 冲击试验结果 B 7之 间 ， 这与 B 5破坏 最严 重 的试 验现 象相 一致 ， 这 可 能是 由于 0 5 的钢 纤维 掺 量较 少 ， 试 件制 作 过程 中钢纤维在混凝土中分布不够均匀 ， 影响 了试 件的 整体 强 度 。 图 9和 图 l 0分 别 是 第 2组 试 件 的 位 移 一 时 间 曲线和能量一 时间曲线 。由图可以发现 ， 最大位移并 不完全随钢纤维掺量 的增加而减少 ， 钢纤维掺量达 到 1 5 时，最大位移和冲击持续时间反而较 1 0 掺 量 有所 增 加 ， 试 件 吸 收能 量 随着 钢 纤 维 的增 加呈 降低趋势。但钢纤维掺量超过 1 后 ， 能量吸收基本 保持一致 ， 由于 B 7试件侵彻破坏较轻 ， 因此 ， 较 B 6 试件消耗了更多的动能用于整体变形和破坏 。 B 5试件在本组试验中破坏程度最为严重 ， 其最 大位移和冲击持续 时间远大于其他试件 ， 这是 由于 侵彻较深和背面受冲击隆起共同引起 的。 B 5试件受 冲击吸收能量同样高于其他试件 。 且在达到能量峰 值后曲线没有呈 明显下降趋势 ，说明 B 5试件在冲 l 犍 怊 量 图 9 第 2组试件受 冲击位 移一 时间曲线 图 1 0 第 2组试件 受 冲击能量一 时间曲线 击下有被贯穿的趋势 。钢纤维的掺人对改善钢筋混 凝 土 板 的抗 压 强度 和 韧性 是 显 著 的 ， 当 高弹 性模 量 的钢 纤维 掺 量 较多 时 ， 试 件 的抗 压 强度 得 到 明显 改 善 ； 同时 。 钢纤维延缓 了试件 内部裂缝的产生和开 展 。 并承担一定 的缝间残余应力 。在钢纤维掺量达 到一定 比例后 。 强度 的增加仍将继续 ， 但 韧性 的增 加较 为有 限 ， 因此 ， 控制钢纤维的掺量对发挥结 构 功效 和平衡 经 济效 益十 分重要 。 3结 论 ( 1 ) 素混凝土在 低速 冲击下 呈脆 性破 坏模 式 ， 钢筋混凝土则体现出了较强的抗拉性能 ， 但 出现主 干裂缝并伴随混凝土块掉落 ； 钢纤维的掺入 明显改 善了钢筋混凝土的韧性 ， 延缓了裂缝开展且表现出 较好 的抗震塌性能。 增强了试件带裂缝工作能力 。 ( 2 ) 钢纤维加 入后 可提 高试 件的冲击力峰值 ， 试件侵彻深度和弯曲变形得到有效控制 ， 在合理掺 量范 围内， 随着 钢纤 维掺量 的增加 ， 试件能量吸收 越少 ， 能 量 回弹效 果越 好 。 ( 3 ) 随着钢纤 维掺量的增加 ， 试件抗压强度和 韧性均得到增强 。 破坏模式 由局部破坏转变为整体 变形破坏 。但继续增加钢纤维掺量 ， 试件强度继续 增加 ， 但韧性增 长有限。由于钢纤维混凝土韧性的 改善在许多应用环境下 比强度改善更为重要 ， 建议 钢纤维掺量控制在 1 0 1 5 。 参考文献 ： 【 1 】 王年桥 防护结构计算原理与设计【 M 南 京： 工程兵工程学 院， 1 9 9 8 ： 8 6 9 0 【 2 刘鹏， 关萍 王怀亮 应 变率对混凝 土动态强度性 能影响 的 研究进展 J 大连大学学报， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 7 9 8 3 【 3 】 P ， B S a k t h i v e l ， A R a v i c h a n d r a n ， N A l a g a m u r t h i I m p a c t t r e n g t h o f Hy b rid S t e e l Me s h a n d- F i b e r R e i n f o r c e d Ce me n t i t i o u s C o mp o s i t e s J K S C E J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 5 ， 1 9 ( 5 ) ： 1 3 8 5 1 3 9 5 4 汤福静 钢筋混凝土梁抗力 函数的落锤实验研究 D 】 长沙： 国防科 学技术大学， 2 0 1 2 【 5 】 刘 聚磊 纤维对 混凝土韧性 和抗弯 冲击性 能 的影 响【 D1 大 连 ： 大 连 理 工 大 学 。 2 0 1 2 6 钱七 虎， 王明洋 高等 防护结 构计算 理论 M I 南京 ： 江 苏科 学 技术出版社 2 0 0 9 7 陈勇， 庞宝君， 郑伟， 等 玻璃纤维增强铝合金 层板低速冲击 力学特性及低温影 响研究 J 振动与冲击， 2 0 1 4 ， 3 3 ： 2 0 4 2 0 7 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 2 3 作者简介 ： 武卫 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 教授。 通讯作者 ： 秦菱 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 联系电话 ： 1 3 0 9 2 3 3 9 3 2 5 E ma i l ： 7 2 9 7 7 6 2 3 4q q c o m 一 5 7 6 4 2 O 8 6 4 2 O 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m