輸電線路用EPS混凝土緩沖吸能特性的數(shù)值研究

張?zhí)熘遥?李昆梅

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 建設(shè)部，安徽 合肥 230022)

輸電線路用EPS混凝土緩沖吸能特性的數(shù)值研究

張?zhí)熘遥?李昆梅

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 建設(shè)部，安徽 合肥 230022)

EPS混凝土具有更加顯著的緩沖吸能能力，特別適用于重要輸電線路防撞設(shè)施。利用數(shù)值模擬的方法對(duì)兩種粒徑的泡孔/EPS混凝土進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，克服了實(shí)驗(yàn)中難以把泡孔和EPS顆粒完全對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，進(jìn)而研究了泡孔混凝土和EPS混凝土在沖擊載荷作用下的緩沖吸能性能。

輸電線路；EPS混凝土；緩沖吸能特性

0 引 言

聚苯乙烯(Expanded Polystyrene Sphere，簡(jiǎn)稱EPS)混凝土是一種輕質(zhì)、多孔，緩沖特性強(qiáng)的復(fù)合材料，其作為一種新型建筑節(jié)能材料，廣泛應(yīng)用于圍欄擋板、夾芯構(gòu)件和滿足抗沖擊要求的防護(hù)結(jié)構(gòu)中。目前輸電線路桿塔所采用的防撞設(shè)施主要為普通混凝土，抗沖擊性能差，在沖擊荷載作用下易發(fā)生破壞。EPS顆粒極大地減輕了混凝土的自重并有效地改善了混凝土的脆性特性。因此其特別適用于重要輸電線路的防撞設(shè)施。

文獻(xiàn)[1]描述了EPS顆粒粒徑與EPS混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[2]研究了EPS混凝土的抗折、抗壓和劈裂強(qiáng)度等性能。文獻(xiàn)[3]實(shí)驗(yàn)研究了EPS混凝土的破壞特性：在混凝土中EPS材料體積含量相同的情況下，其抗壓強(qiáng)度隨著EPS顆粒粒徑的增加而降低。文獻(xiàn)[4]提出了EPS混凝土具有較強(qiáng)的緩沖吸能特性，且可用于抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)中。文獻(xiàn)[5-8]結(jié)合材料應(yīng)變率效應(yīng)研究了EPS體積含量對(duì)EPS混凝土緩沖吸能性能的影響，描述了EPS混凝土的緩沖吸能性能與試樣破壞程度之間的關(guān)系。研究表明：利用實(shí)驗(yàn)的方法難以單獨(dú)考慮到EPS混凝土中的EPS材料所起到的作用，而數(shù)值模擬方法可以彌補(bǔ)其不足。

基于EPS混凝土的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但在沖擊載荷作用下因其涉及到大變形和極其復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)等問(wèn)題，其動(dòng)力學(xué)性能研究較少，動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究更加缺乏。因此，通過(guò)數(shù)值模擬EPS混凝土在沖擊載荷下的特性可以促進(jìn)人們對(duì)其有更深刻地認(rèn)識(shí)。在此，利用數(shù)值模擬的方法研究EPS混凝土在沖擊載荷作用下的緩沖吸能特性。

1 模型參數(shù)

數(shù)值模擬EPS混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)中的壓桿和試樣的直徑均為37 mm，入射桿、試樣和透射桿長(zhǎng)度依次為1 500 mm、18 mm和1 000 mm。利用彌散性較小的正三角形速度脈沖加載，最大速度峰值為10 ms-1，脈沖寬度為200 μs。

數(shù)值模擬中利用了考慮大應(yīng)變和應(yīng)變率效應(yīng)的H-J-C材料本構(gòu)關(guān)系模擬混凝土基體材料，具體材料參數(shù)見文獻(xiàn)[9]中的表3-1。數(shù)值計(jì)算中的EPS材料采用可壓扁泡沫材料模型，具體材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]。

2 數(shù)值研究

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用文獻(xiàn)[10]中的“三波法”公式得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了研究EPS泡沫材料對(duì)EPS混凝土的緩沖吸能性能的影響，數(shù)值模擬了混凝土試樣結(jié)構(gòu)完全相同的泡孔混凝土和EPS混凝土。具體內(nèi)容包括：① 數(shù)值計(jì)算得到了四種體積含量的泡孔混凝土和相對(duì)應(yīng)的EPS混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。② 數(shù)值模擬給出了兩種EPS顆粒粒徑(泡孔孔徑)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并進(jìn)行了相關(guān)的對(duì)比分析。

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬得到了EPS顆粒粒徑(泡孔孔徑)為1 mm(3 mm)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 泡孔/EPS混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1中可以看出，EPS粒徑和孔徑均為1 mm混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定的差異，其規(guī)律是：隨著EPS顆粒體積含量的增加，EPS混凝土吸收的能量要比泡孔混凝土吸收的能量更多；EPS粒徑和孔徑均為3 mm混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的區(qū)別，其規(guī)律性與前者相同，且EPS混凝土較泡孔混凝土的緩沖吸能特性體現(xiàn)得更加明顯。進(jìn)一步分析圖1可知，EPS材料本身具有的緩沖吸能特性在3 mm粒徑的EPS混凝土中體現(xiàn)得尤為顯著，并且EPS混凝土的峰值應(yīng)力隨著EPS的體積含量的增加而降低，而在EPS體積含量相同的情況下，1 mm粒徑較3到mm粒徑的EPS混凝土具有更高的應(yīng)力峰值；泡孔混凝土亦有類似的變化規(guī)律。

2.2 比較分析

2.1節(jié)中只是定性地對(duì)曲線進(jìn)行了說(shuō)明，為了更加精確地描述EPS材料在EPS混凝土受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)緩沖吸能特性中所起作用的大小，引入一個(gè)比值公式 ，即

λ=WE/WK

(1)

其中，WE和WK分別代表EPS混凝土和泡孔混凝土在沖擊載荷作用下吸收的能量。

圖2定量地給出了EPS混凝土與泡孔混凝土在沖擊載荷作用下吸收的能量之比，其橫坐標(biāo)φ代表泡孔/EPS材料的體積含量。由圖可知，隨著EPS體積含量的增加，EPS混凝土比相應(yīng)的泡孔混凝土吸收的能量更多，尤其是3 mm粒徑的EPS混凝土體現(xiàn)得更加明顯。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的機(jī)理分析可以從能量的角度考慮，在泡孔與EPS體積含量相同的情況下，1 mm粒徑較3 mm粒徑的泡孔多，即孔壁的總面積大，在壓縮變形的過(guò)程中，孔壁的變形破壞和相互摩擦等形式吸收的能量更多，而作用在EPS泡沫材料上的能量變少，轉(zhuǎn)化為EPS材料的應(yīng)變能少，反之則多。由此可得，在相同EPS體積含量的情況下，3 mm粒徑的EPS混凝土的緩沖吸能性能更好。

圖2 緩沖吸能特性比較

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)四種泡孔/EPS體積含量(即10%、20%、30%和40%)和兩種粒徑(即1mm和3mm)的混凝土進(jìn)行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：在泡孔和EPS體積含量相同的情況下，EPS混凝土較泡孔混凝土的緩沖吸能能力更強(qiáng)，3mm粒徑較1mm粒徑的EPS混凝土具有更好的緩沖吸能能力。此外，對(duì)于EPS混凝土，其峰值應(yīng)力隨著EPS的體積含量的增加而降低，而在EPS體積含量相同的情況下，1mm粒徑較3mm粒徑的EPS混凝土具有更高的應(yīng)力峰值；對(duì)于泡孔混凝土，其與EPS混凝土具有類似的變化規(guī)律。

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2016-10-24；修改日期：2016-10-28

張?zhí)熘?1968-)安徽無(wú)為人，國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司高級(jí)工程師．

TU502.6

A

1673-5781(2016)05-0669-03