混凝土材料惯性力效应SHPB实验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 2 期 (总 第 3 1 4 期 ) N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 2 0 0 1 混凝 土材料 惯性 力效应 S H P B实验研 究 蒋 国平 ，肖三 霞 ( 福建江夏学院 工程学院 福建省2 0 1 1 高性能混凝土协同中心， 福建 福州 3 5 0 1 0 8 ) 摘要： 在混凝土的冲击动力学测试的时 ， 通常存在各种动力学效应， 比如说 ： 轴向与侧向惯性约束效应 ， 应力波传播 的影响和 最终摩擦效应等， 这些效应有些是材料本身的性质， 有些是尺寸效应， 有些是试验误差等， 然而所有的动态效应都进入了最后的测试结 果， 为试验带来了不必要的误差甚至错误。 针对质性力效应产生的机理， 设计了三种不同尺寸的素混凝土试件进行 S H P B试验， 得到了 惯性力效应对试验的定量影响， 在此基础上对素混凝土的 D I F 进行了修正研究 ， 为混凝土抗冲击工程设计提供了参考依据。 关键词：冲击； 混凝土 ； S H P B； 惯性力 中图分类号： T u 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 0 1 0 3 S HPB e x p e r i me n t a l s t u d y o f t h e la t e r a l e ff e c t u n d e r i mp a c t l o a di n g J I ANG Guo p i n g，XI AO S a n x i a ( 2 0 1 1 H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e C o o r d i n a ti o n o f C e n t r e F u j i a n P r o v i n c e ， S c h o o l o f E n g i n e e ri n g ， F u j i a n J i a n g x i a U n i v e r s i t y F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ， Ch i n a ) Abs t r ac t： W h e n t e s ti ng i mp a c t d y n a mi c s o f t h e c o n c r e m ， i t i s u s u a l l y p r e s e n t a va r i e t y o f k i n e t i c e f f e c t s s u c h a s t h e a x i a l a n d l a t e r a l i n e r t i a l c o n fin e me n t e f f e c t s ， t h e e f f e c t s of s tre s s wa v e p r o p a g a t i o n a n d fin a l f ric tio n e f f e c t s， e t c S o me o f t he s e e f f e c t s i s the ma t e ria l i t s e l f n a t u r e o f s o me s i z e e f f e c t ， s o me e x p e r i me n t al e r r o r ， e t c ， b u t all d y n a mi c e f f e c t s ， h o w e v e r ， a r e e n t e r i n g the fi n a l t e s t r e s u l t s f o r the e x p e r i me n t a l u n n e c e s s a r y e rro r o r e f e n wr o n g Due t o the me c ha n i s m o f l a t e r a l e f f e c t we d e s i g n e d t h r e e d i f f e r e n t s i z e s o f s p e c i me n for SHP B t e s t T he q u a n t i t a t i v e s of t h e l a t e r a l e f f e c t a r e o bt ain e d Th e DI F i s c o rre c t e d wh i c h i s the b a s i s for the c o n c r e i mp a c t e n g i n e e ring d e s i g n Key wor ds： i mp a c t ； c o n c r e ； S HPB； l a t e r a l e f f e c t 0 引 言 混凝土在冲击载荷作用下通常存在各种动力学效应 ， 目前动力学效应对混凝土本构关 系的影响 已经越来越 被 研究者所重示 ， 郝洪与李庆明教授认 为试验 中获得 的动态 强度放大因子( D I F ) 有可能来 自于测试过程 中产生的侧 向惯性约束 、 以及端 面摩擦效应等 。 冲击载荷 作用下 混凝土材料抗压强度 的相 对增强很大程度上应 归于横 向 惯性约束作用 的存在 ， 这种约束作用是和材料 的静水压力 特性相关的 ， 而并非完全是 由材料率敏感效应 引起 的。 冲 击压缩载荷作用下 ， 由于惯 性效应 的影 响， 在其横 向产生 了约束作 用。 H a o和 Z h o u ( 2 0 0 7 ) 在第 7届 I n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e o n S h o c k a n d I m p a c t L o a d s o n S t r u c t u r e s 大会特 邀报告 中曾较为系统地综述 过这方面 已有 的研究成果 ， 对各种混凝 土动态本 构关 系模型 的共性 和区别进行 了系 统比较 ， 并在此基础上分析 比较 了不 同材料模型及参数对 结构响应数值模拟结果精度 的影响。 这其中较为典 型的例 子是混凝土材料 本构模型 。 讨论 了混 凝土动态 强度放 大 因子 D I F ( D y n a m i c I n c r e a s e F a c t o r ) 作为应变率 的显式 函数关 系 ， 但是 这 些 模 型 中显 然 存 在 很 大 的差 别 和 分 歧 ， 导致混凝土材料在高应变率下动态强度增长 的机 理机制方面一直存在不 同的学术观点和争论 。 本试验通 过对惯性力效应产生的机理进行分析 ， 设计 了相关试件尺 寸 ， 并对素混凝土惯性效应进行修正 ， 为混凝土抗冲击 ， 抗 震设计提供了参考。 1 S HP B试 验 本试验采用常规的分离式霍普金森 ( S H P B) 装置进行 试验 ， 典 型的 S H P B装置示意图如图 1 所示 。 子弹 、 输入杆 和输出杆均为 特质钢材 ， 其 弹性模 量是 2 0 0 G P a ， 密度 为 7 8 0 0 k g m ， 应力波的波速为 5 1 6 0 m s ， 所采用的子 弹直 径为 4 0 m m， 长度为 3 0 0 m m。 输入杆 和输 出杆 的直径 为 4 0 u n ， 长度为 2 0 0 0 m m。 电阻应变片粘贴在输 入杆 和输 出杆 的中部 。 在对混凝土试件 的惯性效应试验 中 ， 各 种分 析参数分别 为 ： 入 射杆上 电阻应 变 片的 电阻值是 1 2 0欧 姆 ， 灵敏系数是 2 ， 电压应变转换 系数为 2 5 0 。 透射杆上 电 阻应变片的电阻值是 1 2 0欧姆 ， 灵敏度系数为 1 0 0 ， 电压应 变转换 系数是 2 5 0 。 超动态应变仪 的桥压是 4 V， 有效桥臂 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 0 8 基 金项 目 ： 博士后面上一等资助项 目( 2 0 1 3 M5 4 0 7 7 6 ) ； 福建省教育厅 J K项 目( J K 2 0 1 4 0 6 0 ) 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数 2 ， 灵敏系数是 1 0 0 ， 仪器 的增益是 1 0 0 。 根据惯性力效应 产生的机理 ， 设计 了 + 2 2 mm x 1 1 m m、 + 3 2 m m 1 6 m m 和 西4 0 m n l x 2 0 1 T ff n三种试件进行多应 变率下 的素混凝 土动态试验。 根据 S H P B试验原理 ， 存在以下的方程 ： O s = ( )= ( 1 ) r )：一 d f=2 L c 0 J n f ) d f ( 2 ) s ( ) = C i ( f ) ( f ) =一 ( s ( f ) ) ( 3 ) 式中： s 。 ， s ， s 分别代表入射波、 反射波和透射波的应 变 ； c 。 杆中的应力波的波速 ； A， A 分别表示压杆与试件 的横截面面积 ； 压杆的弹性模量。 根据计算式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 可 以求 出每次试验 的应 力 与应变曲线以及应变率。 在理想状态下 ， 有入射 波 = 透 射 波 +反射波( 不计应力方 向， 取绝对值 ) ， 然而 ， 由于试验加 工存在不平度 等因素 ， 常常导致 三者并 不平衡 ， 导致试 验 误差 的产生 ， 为此 ， 作者通过编制 软件 ， 将 应力波平移 ， 并 通过入射波 + 反射 波与透 射波进行对 比， 结果表 明， 误差 在允许范围内， 试验结果可信( 图2 ) 。 子弹 平 行光源 输 入杆 试 件 输 出杆 吸收杆 阻尼器 吕 宙 图 1 典型 的 Ho p k i n s o n压 杆试 验装 置 应变率的作用下 ， 尺寸越大 ， 混凝土试件破坏所 需要 的峰 值应力也越大。 这说明在混凝土试件的端面与 S H P B试验 装置的压杆 接触面越 大 ， 混凝 土试件 的惯性 作用也 就越 大。 应 变率 s 图 3三种混凝土试块峰值应力与应变率关系 2动 态强度放 大因子 混凝土材料是一种应变率敏感材料 ， 其动态强度会 随 应变率的变化显著提高 ， 混凝土材料 的动态强度放大因子 ( D I F ) 已经广泛为研究者所关注 ， 目前已经 有许 多的研究 结果 ， 然而 ， 由于各种动态效应 的存在 ， D I F可能需要进行 修正 。 根据图 3 ， 作者根据 D I F的定义得 到了三种试件 的 D I F变化 ( 图 4 ) 。 可以看 出 ， D I F受试件尺寸 的变化 ， 并不 能真实的反映材料本身的性质。 关于惯性力效应产生的机 理 ， 郝洪做 了深入 的研究 ， 其机理 图见图 5 ， 而试验结果表 明 ， S H P B试验 中惯性力效应并不能忽略 ， 需要对其进行修 正。 最先对惯性效应进行研究的是 K o l s k y ， 他在 1 9 4 9年以 试件的能量守恒理论为基础 ， 在试验研究 的分析上 ， 提 出 了惯性效应的修正计算式 ： 6=一 P一 _ p v 8 ” ( 4) 式 中： 6 等效轴向应力 ； P试件的压力 ； p 试件的密度 ； 试件的泊松比； r 试件 的径 ； 8 ” 一应变对试件 的二阶导数。 但是 ， 他并没有考虑质点纵 向运动和摩擦效应对试验 结果的影响 。 1 9 6 3年 D a v i e s 和 H u n t e r 提出了进 一步修正 后的最佳长径比为 h r = 3 2 ， 与此相对应的惯性效应的 修正计算式是 ： 6 = 一 ( p + p ) 一 p ( 7 z + v r 2 ) s ( 5 ) 式 中： p ， P ： 对应的是试件两端的压力。 从上式可以看 出， 这是 对 K o l s k y提 出的惯性效 应 的 进一步修正 。 上述的惯性效应修正计算式只适用于试件 的 小变形的情况 ， 对 于试件 的大变形 的情况则不 严格成立 。 为此 ， 1 9 7 1 年 S a m a n t a 对试件 的大变形进 行了试验研 究 ， 并结合他人 的研究成果提出了下面的修正计算式 ” ： )一 7 ( r t 0 ( 6) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 5年中国工程 物理研 究院 的陶俊林 、 陈裕泽 等认 为上述的研究都没有考虑端面摩 擦做功 的影响 ， 他们对此 进行 了理论分析和试验研究 ， 认为试件的最佳原始尺 寸长 径 比为 ： n ： h ： 0 8 7 5 + 0 5 4 0 8 ( 7 ) r 虽然 ， 已经取得 了诸多 的研究成果 ， 然而 S H P B试验 中， 摩擦力效应也 同时存 在 ， 上述研究没有考 虑摩 擦力效 应 的影响 ， 其修正结论还有待探索 ， 同时 ， 通过上述方法求 得的修正计算 式在理论上可行 ， 然而 ， 修正用 的计算式 中 的参数并不能通过 S H P B试验直接求得 ， 使用起来具有一 定的局限性。 为此 ， 本试验采用细观数值模拟进行修正 ， 关 于细观数值模拟论文作者郝逸飞做 了大量的工作 ， 在 数值 模拟中直接定义边界摩擦力为 0 ， 典 型砂浆具 有 1 0 的孔 隙率并且具有 复杂 的非 线性特 性 ， 因此采用 多孔 材料 的 P O 平衡状态方程模型以及分段弹塑性本构关系， 采用 分段 D r c u k e r P r a g e r 模 型描述砂浆 基体 的强度准则 ， 基 于 Ma z a r s 损伤模型 判别损伤发 生时机 ， 并且对 拉伸损 伤 和压缩损伤分开模拟 ， 然后再将其叠加处理 。 通过数值模 拟得到的修正结果为 ： DI F M 。 盯：0 0 4 1 9( 1 o g 占 )+1 2 1 6： 5 1 s 一 3 0 s 一 ( 8 ) DI F M 。 =0 8 9 8 8 ( 1 o g ) 一2 8 2 5 5( 1 o g 8 )+3 4 9 0 7 3 0 S 1 0 0 0 S ( 9 ) 3 5 3 O 2 5 【 0 2 0 1 5 1 0 3 结论 1 0 1 0O 1 000 应 变率 s 。 图4 D I F 计算 惯性 力 图5冲击压缩下惯性力效应机理示意图 笔者根据 惯性力 效应产 生 的机 理 ， 设计 了长径 比一 致 ， 大小不同的三种试件 ， 通过 S H P B试验 ， 验证 了惯性力 效应对及混凝土 D I F的影响不能忽略 ， 如果不考虑惯性力 效应 ， 将可能过高估计混凝土材料 的抗冲击性能 ， 将 为结 构的抗 冲击工程设计带来隐患 ， 因此需要 对其 D I F进行修 正研究， 笔者通过试验与数值模拟分析相结合的方法， 提 出对 D I F进行修正 ， 将为结构抗冲击工程设计提供参考。 参考文献： 1 H A O H， T A R A S O V B E x p e ri m e n t a l s t u d y o f d y n a m i c ma t e ri a l p r o p e r ti e s o f c l a y b ri c k a n d mo r t a r a t d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s J A u s tr a l i a n J o u r n a l o f S t r u c tu r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 8 ( 2 ) ： l 1 7 1 3 2 1 2 1 L I H B， Z H A O J ， L I J R， L I U Y Q， Z H O U Q C E x p e ri me n t a l s t u d i e s o n t h e s t r e ng t h o f d i f f e r e n t r o c k typ e s u nd e r d y n a mi c c o m p r e s s i o n , J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s &Mi n i n g S c i e n c e， 2 00 4， 41： 16 3 H A O H， Z H O U X Q C o n c r e t e ma t e r i al mo d e l f o r h i g h r a t e d y n a mi c a n a l y s i s ， Ke y n o t e Pa p e r ， P r o c e e d i n gs of t h e 7t h I n t Co n f o n S h o c k a n d I mp a c t L o a d s o n S t r u C O c t o b e r 1 7 1 9 2 0 0 7 ， B e i j i n g ， C h i n a ， 7 5 3 7 6 8 4 C o m i t e E u r oI n t e rna t i o n a l d u B e t o n ， C E BF I P mo d e l c o d e 1 9 9 0 ， R e d w o o d B o o k s E M Wi l t s h i r e ， U K， 1 9 9 3 5 MA L V A R L J ， C R A WF O R D J E D y n a mi c i n c r e a s e f a c t o r s f o r c o n c r e t e - c T w e n t yE i g h t h D D E S B S e m i n ar， O r l a n d o ， F L ， Au g us t ， 1 9 9 8 1- 6 I C O T S O V O S D M， P A V L O V I C M N N u m e ri c a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o h i g h r a t e s o f u n i a x i al t e n s i l e l o a d i n g , J I n t J o f I mp a c t Eng， 2 0 0 8， 3 5： 3 1 93 3 5 7 H A O H， H A O Y F ， L I Z X A n u me ri c al s t u d y o f f a c t o r s i n fl u e n c i n g hi g h s p e e d i mp a c t t e s t s o f c o n c r e t e ma t e ria l p r o p e r t i e s Ke yn o t e pa p e r The 8 t h i n t e m a t i o n a l c o n f e r e n c e o n s ho c k & i m- p a c t l o a d s o n s t r u c t u r e s E C A d e l a i d e ， A u s t r a l i a ， 2 0 0 9 ： 3 7 5 2 8 3 H A O H， T A R A S O V B G E x p e ri me n t a l s t u d y o f d y n a m i c ma t e r i a l p r o p e rt i e s o f c l a y b ri c k a n d mo r t a r a t d i f f e r e n t s tr a i n r a t e s , J A u s t r a l i a n J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 8 ( 2 ) ： 1 1 7 1 31 - 9 3 MA L I N O WS K I J Z， K L E P A C Z K O J R D y n a m i c f ri c t i o n a l e f f e c t s a s m e a s u r e d f r o m t h e s p ri t H o p k i n s o n p r e s s u r e b ar C Hi g h v e l o c i t y d e f o r m a tio n s o l i d s Sp ring e r v e r l a g Be r l i n， 1 9 7 8： 4 0 341 6 1 0 ME N G H， L I Q M C o r r e l a t i o n b e t w e e n the a c c u r a c y o f t h e S HP B t e s t a n d t h e s tre s s u n i f o r mi t y ba s e d o n n ume ric a l e xp e r i me n t s - J I n t e r n a ti o n a l J o u rna l o f I m p a c t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 2 8 ： 5 3 7 5 5 5 1 1 陶俊林、 陈裕泽， 等 S H P B系统圆柱形试件的I贯l生效应分析 J 固 体力学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 ： 1 0 71 1 0 1 2 H A O Y， H A O H N u m e r i c al e v a l u a t i o n o f t h e i n f l u e n c e o f a g g r e g a t e s o n c o n c r e t e c o m p r e s s i v e s tr e n g t h a t h i g h s tr a i n r a t e J I n t J P r o t S t r u c t ， 2 0 1 1 ， 2 ( 2 ) ： 1 7 7 2 0 6 第一作者 联系地址 ： 联系电话 ： 蒋国平( 1 9 7 4一) ， 男， 教授 ， 博士后， 主要从事减灾防 灾方面的研究。 福建省闽候大学城福建江厦学院工程学院( 3 1 0 5 0 8 ) 1 8 0 6 0 8 4 5 9 75 3 I _ 一 一： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m