鋼纖維‐鋼筋混凝土在低速?zèng)_擊作用下的受力環(huán)境研究

秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務(wù)學(xué)院 江蘇 徐州 221000)

鋼纖維‐鋼筋混凝土在低速?zèng)_擊作用下的受力環(huán)境研究

秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務(wù)學(xué)院 江蘇 徐州 221000)

通過分析不同沖擊作用類型下結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境特點(diǎn)，得出低速?zèng)_擊作用與其他沖擊效應(yīng)的不同之處，并進(jìn)一步分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速?zèng)_擊的主要影響因素，為后續(xù)展開不同因素影響下結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供參考。

鋼纖維-鋼筋混凝土；低速?zèng)_擊；受力環(huán)境；影響因素

引言

鋼纖維-鋼筋混凝土因?yàn)槿诤狭虽摻罨炷梁弯摾w維混凝土的特點(diǎn)，使其具有優(yōu)良的抗拉性能和韌性，獲得了國(guó)防工程和民用防護(hù)工程領(lǐng)域的青睞。但是其在低速?zèng)_擊作用下有別于在高速侵徹和爆炸作用下性能表現(xiàn)，分析研究鋼纖維-鋼筋混凝土在低速?zèng)_擊作用下的受力環(huán)境有助于擴(kuò)展此新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究。

1 沖擊破壞的類型分析

1.1 爆炸沖擊效應(yīng)

爆炸沖擊一般指帶有爆炸功能戰(zhàn)斗部的炮彈在直接命中防護(hù)結(jié)構(gòu)后達(dá)到一定侵徹深度后發(fā)生爆炸的高速破壞現(xiàn)象。因?yàn)樵诒ㄖ鞍l(fā)生了一定程度的侵徹，所有爆炸的局部破壞相似于侵徹破壞：炸點(diǎn)附近的巖土或混凝土等防護(hù)材料由于爆炸力的沖擊產(chǎn)生空洞狀的破碎和分離，此為爆炸漏斗或爆炸空腔，此范圍內(nèi)的防護(hù)材料發(fā)生開裂；炸點(diǎn)下方即結(jié)構(gòu)背面的材料發(fā)生開裂、飛散和剝離等現(xiàn)象，形成爆炸震塌。爆炸能量經(jīng)結(jié)構(gòu)自身傳遞到整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而形成整體振動(dòng)、發(fā)生彎曲或剪切變形破壞。

爆炸波的作用處理引起結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)外，還在結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)傳播應(yīng)力波，經(jīng)研究，只要結(jié)構(gòu)具有一定的厚度，結(jié)構(gòu)材料具有一定的剛性，以梁為例，其高跨比小于1/4（地面結(jié)構(gòu)）或1/8（土中結(jié)構(gòu)），即淺梁，計(jì)算時(shí)完全可以忽略結(jié)構(gòu)材料中的波動(dòng)過程[1]。

1.2 侵徹沖擊效應(yīng)

侵徹沖擊一般指包括精確制導(dǎo)武器在內(nèi)的炮彈、炸彈彈頭直接沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)并侵入到結(jié)構(gòu)中去，其運(yùn)動(dòng)速度一般達(dá)到甚至超過因此具有巨大的動(dòng)能。彈頭的動(dòng)能一方面消耗在彈殼的變形上，另一方面消耗在靶體材料，包括土壤、巖石等防護(hù)材料以及鋼筋混凝土、鋼纖維-鋼筋混凝土等防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的變形和破壞上，同時(shí)產(chǎn)生熱量。巖土和混凝土材料在彈著點(diǎn)附近發(fā)生分離和破碎，形成比彈頭直徑稍大的空洞，在空洞附近的材料中則產(chǎn)生裂縫。上述效應(yīng)稱為侵徹，形成的空洞稱為侵徹漏斗坑。當(dāng)靶材厚度不大時(shí)，沖擊可能在正面形成變形、破壞的同時(shí)，在目標(biāo)沖擊點(diǎn)下方的背面發(fā)生開裂和材料的剝離和飛散，這種現(xiàn)象稱為震塌。一般來說，彈頭的高速動(dòng)能主要被上述發(fā)生在彈著點(diǎn)附近的材料變形和破壞作用消耗掉，故稱為侵徹局部作用，較小部分的能量則傳輸給防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)。

1.3 低速?zèng)_擊效應(yīng)

事故型的偶然撞擊效應(yīng)是典型的低速?zèng)_擊效應(yīng)，常發(fā)生在各種建筑工程領(lǐng)域，包括核反應(yīng)堆防護(hù)殼需要考慮空難事故中飛機(jī)的墜落，其墜落重量可達(dá)數(shù)十噸乃至上百噸，其撞擊速度可達(dá) 250～300 /m s；工業(yè)建筑中偶然爆炸事故以后上層結(jié)構(gòu)破壞后構(gòu)件飛散和墜落的撞擊，飛散速度可達(dá) 100 /m s，墜落速度可達(dá)15～20 /m s；海岸和河岸水工結(jié)構(gòu)的平臺(tái)下部以及橋梁的橋墩可遭遇到艦、船的撞擊，其重量可達(dá)數(shù)十噸，速度可達(dá)30 /m s；其他還包括裝配式建筑結(jié)構(gòu)中裝配過程中偶然的構(gòu)件撞擊等。上述撞擊效應(yīng)區(qū)別于武器侵徹效應(yīng)的是撞擊速度一般為中、低速，個(gè)別可達(dá)到高速，但也小于300 /m s[2]。

2 影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗沖擊性能的因素

2.1 縱向鋼筋

縱向抗彎鋼筋是鋼筋混凝土板抵抗結(jié)構(gòu)沖擊變形和受拉的主要材料，屈服強(qiáng)度yf和配筋率ρ被業(yè)界普遍認(rèn)為是影響鋼筋混凝土板抗沖切承載力主要指標(biāo)。鋼筋混凝土板的配筋率在某一范圍內(nèi)與板的抗沖切性能成正比，但是超過這一限度（一般認(rèn)為是2%）則不再提升其抗沖切能力。

配筋形式是除了鋼筋配筋率外對(duì)裂縫發(fā)展有影響的因素，比如梁受沖擊之后進(jìn)入塑性階段，配置光圓縱向鋼筋可形成一個(gè)法向和兩個(gè)傾斜的三個(gè)塑性鉸；配置縱向螺紋鋼筋會(huì)形成兩個(gè)傾斜塑性鉸和塑性區(qū)；配置密排橫向鋼筋，當(dāng)箍筋間距很小時(shí)，傾斜裂縫難以發(fā)展，不易形成傾斜塑性鉸，只能形成法向塑性鉸和法向塑性區(qū)，變形主要集中在法向斷面。

2.2 基體混凝土強(qiáng)度

影響基體混凝土強(qiáng)度的因素有：配合比，混凝土制作方法，外加劑的使用，攪拌工藝和養(yǎng)護(hù)條件等?，F(xiàn)行的強(qiáng)度公式是建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要滿足相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、和易性指標(biāo)和工藝要求?；炷翉?qiáng)度cf、tf是表征混凝土抗沖切承載力的主要指標(biāo)，混凝土的強(qiáng)度與板的承載力大小成正比關(guān)系。

普通混凝土配合比分為六個(gè)步驟，每個(gè)步驟均是影響基體混凝土強(qiáng)度的因素。首先根據(jù)混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求確定水膠比并進(jìn)行似配制；然后根據(jù)所需坍落度的要求計(jì)算單位用水量；估算砂率并計(jì)算初步配合比；最后根據(jù)拌合物實(shí)際狀態(tài)調(diào)整配合比并進(jìn)行校核?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)還需結(jié)合最終拌合物的特性以及混凝土硬化后的強(qiáng)度特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)配。

2.3 鋼纖維

除了基體素混凝土的強(qiáng)度，影響鋼纖維混凝土強(qiáng)度的因素還有：鋼纖維體積率，鋼纖維的制作方法與材質(zhì)，鋼纖維-基體界面粘結(jié)性能等。依據(jù)現(xiàn)行的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中對(duì)強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定，鋼纖維混凝土的制備強(qiáng)度主要考慮基體混凝土強(qiáng)度、鋼纖維含量和鋼纖維類型三方面因素。

鋼纖維-鋼筋混凝土板的抗沖切極限承載力和延性與鋼纖維摻量成正比，但是必須在一定范圍內(nèi)，一般是在 0.5%～3.0%范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的抗沖切能力在超出此范圍后將不隨鋼纖維摻量增加和增加，如圖 2所示。鋼纖維類型也是影響其抗拉性能的一個(gè)因素，在做鋼纖維混凝土的靜態(tài)抗壓、抗彎試驗(yàn)時(shí)，鋼纖維按增韌作用強(qiáng)弱依次為：弓形＞平直形＞波紋形＞壓棱形。而后三種鋼纖維的增韌效果差異主要由纖維長(zhǎng)徑比決定，強(qiáng)弱順序與長(zhǎng)徑比從大到小的排序相同，鋼纖維形狀的影響并不顯著。在進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)時(shí)，不同形狀鋼纖維在不同應(yīng)變率情況下的增強(qiáng)作用有所差異：波紋形鋼纖維在低、中應(yīng)變率條件下對(duì)試驗(yàn)值有明顯提升作用，但是其增強(qiáng)效果在高應(yīng)變率情況下相對(duì)減弱；弓形鋼纖維在三種應(yīng)變率情況下增強(qiáng)效果均比較穩(wěn)定，特別是在高應(yīng)變率條件下，其增幅達(dá)到33%。值大量試驗(yàn)表明：低速?zèng)_擊作用下結(jié)構(gòu)整體變形程度明顯多于高速?zèng)_擊作用，盡管低速?zèng)_擊作用下值較大）同樣發(fā)生類似于高速?zèng)_擊作用的局部破壞現(xiàn)象，可是多數(shù)情況下裂縫群h 的發(fā)展主要集中在鋼纖維-鋼筋混凝土板背沖擊面d1＞ d區(qū)域內(nèi)，并且此時(shí)結(jié)構(gòu)的邊界支承條件不對(duì)裂縫發(fā)展產(chǎn)生影響，因?yàn)橄脑诰植科茐牡臎_擊動(dòng)能較高速?zèng)_擊已經(jīng)減弱。在相同條件下，增大值可以使結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊作用下的破壞更多地轉(zhuǎn)化為整體破壞。h

低速大徑厚比的事故型沖擊雖然也發(fā)生類似高速彈體沖擊侵徹作用的局部破壞，但是因?yàn)榍謴爻潭群苄。◤胶癖仍谟?jì)算侵徹深度時(shí)如果運(yùn)用高速?zèng)_擊作用公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較誤差達(dá)8～9倍，在計(jì)算震塌與貫穿厚度時(shí)如果運(yùn)用高速?zèng)_擊作用公式，計(jì)算結(jié)果誤差同樣很大。究其原因是因?yàn)楫?dāng)值偏大時(shí)，基本不發(fā)生v ＜ 75 m/sh ≈ h侵徹作用而只有壓入作用，貫穿帶有動(dòng)力沖切的特性，當(dāng)0，且ps，發(fā)生純貫穿，因此值影響鋼纖維-鋼筋混凝土板受整體破壞和局部破壞的程度。

3 結(jié)語

1.分析歸納了沖擊作用的三種類型及其相應(yīng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)說明了構(gòu)件在低速?zèng)_擊環(huán)境下的特點(diǎn)。

2.分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速?zèng)_擊作用的主要因素，得出了縱向鋼筋、混凝土基體強(qiáng)度、鋼纖維分別對(duì)其抗沖擊特性的影響。

[1]錢七虎,王明洋.高等防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論[M].江蘇南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[2]王明洋,宋春明,王德榮等.鋼筋混凝土板在低速?zèng)_擊下的計(jì)算方法[J].兵工學(xué)報(bào),2004,25(6):672-678.

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