高溫后鋼管RPC的SHPB試驗(yàn)研究

郭志昆， 陳萬祥， 姜 猛，鄒慧輝

(解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007)

高溫后鋼管RPC的SHPB試驗(yàn)研究

郭志昆， 陳萬祥， 姜 猛，鄒慧輝

(解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007)

采用φ75 mm分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)分別對常溫、高溫200 ℃和300 ℃后的鋼管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube，鋼管RPC)及RPC進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，分析了應(yīng)變率效應(yīng)及溫度效應(yīng)對試件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和破壞形態(tài)的影響。結(jié)果表明：高溫作用后鋼管RPC的韌性和相對韌性均隨應(yīng)變率的提高而增大，相同應(yīng)變率下鋼管RPC的韌性和相對韌性隨過火溫度提高而增大。沖擊荷載作用下鋼管RPC和RPC的破壞程度均隨過火溫度提高而降低，RPC發(fā)生脆性破壞而鋼管RPC發(fā)生延性破壞。鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，但RPC的吸收能受過火溫度影響較小。鋼管RPC和PRC的吸收能均隨應(yīng)變率的提高而增大。試件的吸能能力取決于能量吸收率的大小。

高溫；鋼管RPC；分離式Hopkinson壓桿；韌性；吸能特性

近年來，火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生(如昆山、天津爆炸等)，損失慘重。大跨、高聳、重載結(jié)構(gòu)和重要防護(hù)工程的抗火和抗沖擊爆炸安全是關(guān)乎國計(jì)民生的重要問題之一，已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。為提高工程結(jié)構(gòu)抗火、抗沖擊爆炸性能，許多國家致力于開發(fā)各種新材料、新結(jié)構(gòu)。鋼管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube，鋼管RPC)具有承載力高、剛度大、塑性和韌性好、耐火且施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是鋼管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，CFST)中極具開發(fā)潛質(zhì)和應(yīng)用前景的新型抗火抗爆組合結(jié)構(gòu)，常用作重大工程的承重構(gòu)件[1]。

研究高溫后鋼管RPC的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特征對火災(zāi)后鋼管RPC構(gòu)件抗爆設(shè)計(jì)和安全性評估具有重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[2-5]，但有關(guān)CFST動(dòng)態(tài)壓縮特性及吸能特性的研究不多。高溫下抗沖擊方面，鄭秋等[6]利用SHPB裝置對φ32×16 mm的CFST試件進(jìn)行不同溫度(20～400 ℃)下的沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明高溫下CFST具有良好的抗沖擊力學(xué)性能，以及良好的塑性變形能力和完整性。何遠(yuǎn)明等[7]采用霍普金森桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)試驗(yàn)裝置研究了溫度(200～800 ℃)對CFST動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明高溫下CFST仍具有良好的抗沖擊性能、延性和耗能能力；霍靜思等[8]采用SHPB試驗(yàn)裝置對常溫和高溫后(100～700 ℃)的CFST進(jìn)行多次沖擊性能試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫后CFST經(jīng)歷多次沖擊后無明顯強(qiáng)度劣化，具有良好的抗多次沖擊力學(xué)性能和變形能力。然而，目前對高溫后鋼管RPC沖擊壓縮特性的研究報(bào)道較少。本文采用SHPB試驗(yàn)裝置研究高溫后鋼管RPC在90～125 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的韌性、破壞特征及吸能特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度受試件尺寸效應(yīng)顯著，且試件與壓桿之間的摩擦對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，導(dǎo)致強(qiáng)度明顯的增加。根據(jù)Davies等[10]最優(yōu)長徑比L/D=(3v/4)1/2的建議(其中v為材料泊松比)，本文試件長徑比控制在0.50～0.53之間。

1.2 原材料和配合比

試驗(yàn)按照表1中配合比共制作了6塊100 mm×100 mm×100 mm的RPC立方塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。同時(shí)采用壁厚2 mm的Q345鋼管制作3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，按照文獻(xiàn)[11-12]方法分別對RPC和鋼材進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)材性試驗(yàn)。試驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。

表1 RPC配合比

表2 鋼管和RPC力學(xué)性能參數(shù)

1.3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

圖1 SHPB試驗(yàn)裝置Fig.1 SHPB test set-up

圖2 應(yīng)變信號波形曲線Fig.2 Curves of strain signal

圖3 平均應(yīng)變率取值Fig.3 Determination of average strain rate

圖4 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡Fig.4 Dynamic stress balance

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5所示為高溫作用后試樣SHPB試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(T=20 ℃代表常溫)，其中應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的主要力學(xué)參數(shù)匯總成表3、表4。

2.1 能量吸收能力分析

從宏觀角度考慮，韌性可以定義為材料從加載到失效為止吸收能量的能力。韌性是綜合反映材料強(qiáng)度和延性的指標(biāo)，能更好的評價(jià)材料的抗沖擊性能。根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]將韌性(Toughness)定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積，用T表示，計(jì)算方法如圖6所示。將試件韌性指標(biāo)(T)與動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力(D)的比值定義為相對韌性(Specific Toughness)，用ST表示。ST反映了應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力點(diǎn)過后塑性流動(dòng)的變化趨勢，值越大，曲線越平緩，說明材料的塑性流動(dòng)現(xiàn)象越明顯。

圖5 不同應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves under different strain rate

應(yīng)變率/(s-1) 20200300峰值應(yīng)力/MPa過火溫度/℃20200300韌性/(J·cm-3) 20200300相對韌性/%1002242372473.153.243.381.411.371.361202472522684.744.825.91.921.912.2

圖6 韌性計(jì)算方法示意圖Fig.6 Calculation method for T

高溫作用后T和ST隨溫度的變化如圖7所示?？梢?，高溫作用后鋼管RPC的T和ST隨應(yīng)變率的提高而增大，而RPC的T和ST隨應(yīng)變率的提高而減小。這是由于隨著應(yīng)變率增加鋼管RPC峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得平緩，而RPC峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得陡峭，說明鋼管RPC在高應(yīng)變率條件下仍保持較好的塑性變形能力。相同應(yīng)變率下鋼管RPC的T和ST隨過火溫度升高呈上升趨勢；而RPC的T在應(yīng)變率100 s-1以下時(shí)隨過火溫度升高而增大，但當(dāng)應(yīng)變率大于120 s-1時(shí)隨過火溫度升高而減小，說明高應(yīng)變率條件下RPC呈脆性破壞。這是由于RPC經(jīng)歷200 ℃作用后，RPC內(nèi)部毛細(xì)水蒸發(fā)，相當(dāng)于經(jīng)歷了“自蒸”的過程，水泥水化和火山灰反應(yīng)相互促進(jìn)，消耗了更多對強(qiáng)度有不利影響的Ca(OH)2，并生成了更多的C-S-H凝膠，試件強(qiáng)度有所提高[16]。經(jīng)歷300 ℃作用后，Ca(OH)2進(jìn)一步減少，火山灰反應(yīng)更加充分，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，脆性增加。鋼管RPC在高溫下由于鋼管的存在減少了RPC芯柱內(nèi)部水分的散失，RPC芯柱的水泥水化和火山灰反應(yīng)更加徹底，表現(xiàn)出比RPC更好的韌性。高溫作用后鋼管RPC的T和ST較RPC分別增大了25%和10%以上，且隨著應(yīng)變率的提高其增大幅度更加明顯。這是由于隨著應(yīng)變率的提高，鋼管RPC發(fā)生明顯的塑性變形而吸收更多的能量，說明鋼管RPC較RPC具有更好的塑性流動(dòng)性。

圖7 T和ST隨過火溫度變化Fig.7 Variation of T and ST with temperature

2.2 沖擊破壞分析

圖8、圖9分別給出鋼管RPC和RPC在常溫下、高溫200 ℃和300 ℃后沖擊壓縮破壞模式。隨著應(yīng)變率的提高，鋼管RPC和RPC的破壞愈加明顯，應(yīng)變率大于95 s-1時(shí)，RPC芯柱出現(xiàn)明顯的裂紋，應(yīng)變率大于120 s-1時(shí)，RPC芯柱出現(xiàn)貫穿端面的裂縫，鋼管發(fā)生明顯的鼓脹變形；RPC的破壞形式由破碎成塊轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑槌煞?。隨著過火溫度的提高，鋼管RPC和RPC的破壞程度減輕，表現(xiàn)為鋼管RPC的RPC芯柱的裂縫數(shù)量、長度和寬度均隨過火溫度提高而減少，RPC破碎的碎塊體積逐漸增大。說明在沖擊荷載作用下鋼管RPC具有更好的延性；溫度對鋼管RPC和PRC的抗沖擊性能具有提高作用，這主要是由于高溫作用下鋼管RPC和PRC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密所致。

圖8 鋼管RPC破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes of RPC-FST under impact loading

圖9 RPC破壞形態(tài)Fig.9 Failure modes of RPC under impact loading

2.3 能量分析

由應(yīng)變片記錄到的波形信號，可以計(jì)算出從加載到卸載過程中壓桿上的入射能WI、反射能WR、和透射能WT，從而得到加載過程中試件吸收的能量值，公式如下[17]:

(1)

沖擊壓縮過程中材料吸收的能量WL由以下公式得到：

(2)

為衡量試件在相同近應(yīng)變率下能量吸收的效率，定義能量吸收率如下：

(3)

由式(2)、式(3)計(jì)算得到試件吸收能和能量吸收率時(shí)程曲線。以應(yīng)變率為120 s-1和高溫300 ℃后為例，列出了鋼管RPC和RPC的吸收能和能量吸收率時(shí)程曲線如圖10～圖13所示。

圖10 試件吸收能時(shí)程曲線Fig.10 Time-history curves of absorbed energies

如圖10所示，相同應(yīng)變率下鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，而RPC的吸收能最大值受過火溫度的影響不大，但隨過火溫度到達(dá)最大值的時(shí)刻提前。這是由于高溫后鋼管RPC和RPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密，抗沖擊能力提高；鋼管RPC由于鋼管的約束作用使得吸收能隨過火溫度提高而增大，而RPC由于高溫作用內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密而造成RPC剛度增大，相同沖擊荷載作用下更早地吸收到試件破碎的能量而破壞，隨著過火溫度提高RPC在沖擊荷載作用下發(fā)生破碎的時(shí)間有所提前。這說明在相同應(yīng)變率的沖擊荷載作用下，經(jīng)歷不同溫度后的RPC破碎時(shí)吸收能是相同的，鋼管RPC由于整體性良好吸收能會隨過火溫度提高而增大。圖11所示，鋼管RPC和RPC的能量吸收率隨時(shí)間具有一定的波動(dòng)性，但均隨過火溫度提高具有增大的趨勢，不同的是RPC的能量吸收率隨著過火溫度提高其下降段逐漸提前，下降即表明試件內(nèi)部產(chǎn)生大的裂紋，試件即將破壞。在相同應(yīng)變率沖擊荷載作用下，能量吸收率的不同是造成能量吸收能不同的根本原因。

圖12 試件吸收能時(shí)程曲線Fig.12 Time-history curves of absorbed energies

圖13 試件能量吸收率時(shí)程曲線Fig.13 Time-history curves of energy absorbency

如圖12所示，相同溫度下鋼管RPC和PRC的吸收能均隨應(yīng)變率的提高而增大，不同的是，鋼管RPC在整個(gè)加載段吸收能是持續(xù)上升的趨勢，而RPC隨著應(yīng)變率的提高吸收能更早的達(dá)到最大值。這是由于鋼管RPC比RPC具有更好的韌性和抗沖擊能力，隨著應(yīng)變率的提高，RPC試件更早的發(fā)生破壞而減弱對能量的吸收，而鋼管RPC由于鋼管的約束在RPC芯柱發(fā)生裂縫的條件下依然保持整體性而持續(xù)吸收能量。試件吸收能隨應(yīng)變率的增加而增加。這主要是由于隨著應(yīng)變率的提高，試件內(nèi)部裂紋發(fā)展并形成新的裂紋，子彈輸入系統(tǒng)的能量增加和能量吸收率增加共同作用的結(jié)果。由圖13可以看出，鋼管RPC和RPC的能量吸收率隨應(yīng)變率的提高而提高，但RPC的能量吸收率隨應(yīng)變率的提高更早地進(jìn)入下降段。說明隨著應(yīng)變率的提高鋼管RPC在鋼管的約束下裂縫得以持續(xù)發(fā)展，而RPC在高應(yīng)變率下裂縫快速發(fā)展較早的發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

對最高過火溫度300 ℃后的鋼管RPC和RPC進(jìn)行了SHPB試驗(yàn)研究，本試驗(yàn)條件下得到如下結(jié)論：

(1)高溫后鋼管RPC的T和ST隨應(yīng)變率提高而增大，而RPC的T和ST隨應(yīng)變率提高而減小。相同應(yīng)變率下，鋼管RPC的T和ST隨過火溫度提高而增大；而RPC的T和ST隨過火溫度提高而減小。

(2)相同應(yīng)變率下，鋼管RPC和RPC破壞程度隨過火溫度提高而減輕，但RPC發(fā)生脆性破壞而鋼管RPC發(fā)生延性破壞，說明高應(yīng)變率條件下鋼管RPC具有更好的塑性變形能力。

(3)相同應(yīng)變率下，鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，RPC的吸收能最大值受溫度影響較??；相同溫度下，鋼管RPC和RPC的吸收能均隨應(yīng)變率的提高而增大。能量吸收能力的多少取決于能量吸收率的大小。

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SHPB test on reactive powder concrete-filled steel tubes after exposure to high temperature

GUO Zhikun, CHEN Wanxiang, JIANG Meng, ZOU Huihui

(State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Impact tests on reactive powder concrete-filled steel tube (RPC-FST) and reactive powder concrete (RPC) specimens after exposure to high temperature (20 ℃, 200 ℃, 300 ℃)were performed by using a φ75 mm split Hopkinson pressure bar (SHPB). The strain rate effect and temperature effect on dynamic behaviors and failure modes of specimens were investigated.It is indicated that the toughness and specific toughness of RPC-FST increase as the strain rate increases. The toughness and specific toughness of RPC-FST under the same strain rate increase as the temperature increases. The failures of RPC-FST and RPC under impact loading tend to be unobvious as the temperature increases. Brittle failures are observed in RPC while ductile failures in RPC-FST. The absorbed energy of RPC-FST increases as the temperature increases, while the temperature has no great influence on the maximum absorbed energy of RPC. The absorbed energies of RPC-FST and RPC both increase as the strain rate increases. The capacity of energy absorption of the specimens is mostly dependent on the energy absorbency.

high temperature; RPC-FST; split Hopkinson pressure bar; toughness;energy absorption characteristics

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378498；51578541)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141066)

2016-01-08 修改稿收到日期：2016-04-08

郭志昆 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

陳萬祥 男，副教授，1977年生 E-mail:cwx_0806@sohu.com

TU502

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.022