冲击荷载下AFRP约束混凝土的动态力学特性及其应用.pdf
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1、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
2、、 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
3、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
4、 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
5、 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
6、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 :
7、 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
8、 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
9、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
10、) 。 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、 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
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