抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭的瞬間加載沖擊試驗(yàn)加載速度研究

莫鯉木

【摘 要】在2008年之前，相關(guān)鋼筋接頭的加載速度以V0=L0的速度進(jìn)行試驗(yàn)，后改為V0=L0-LP，目前國內(nèi)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對加載速度進(jìn)行規(guī)范，一般要求加載速度采用V0=L0。為研究不同的加載速度，其試驗(yàn)的結(jié)果有何不同，文章對適配φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm鋼筋的抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和驗(yàn)證，經(jīng)過對抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究和整理，對比不同加載速率對結(jié)果的影響進(jìn)行探討，期望對后續(xù)研究有所幫助。

【關(guān)鍵詞】抗飛機(jī)撞擊;瞬間加載沖擊試驗(yàn);加載速度;應(yīng)變速率

【中圖分類號】TU755.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0072-03

0 引言

核電作為重要的清潔能源已在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，由于核電事故的嚴(yán)重后果，所以核電廠的安全性顯得尤為重要，自“9·11”事件發(fā)生以來，第三代核電技術(shù)就要求核電站主要構(gòu)筑物具備抗商用大飛機(jī)撞擊的能力，作為核電站的最后一道防線，保證核電站的安全。這就要求安全殼外殼上所用的鋼筋接頭具有抗瞬間沖擊的性能，并且鋼筋接頭必須能夠在抗瞬間沖擊時不破壞在鋼筋接頭處[1-2]。法國弗拉芒維爾核電站3號機(jī)組是世界上較早采用抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭的核電站之一，抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭是建設(shè)單位法國電力集團(tuán)在法國弗拉芒維爾核電站3號機(jī)組建設(shè)期間提出的概念，該集團(tuán)對抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。瞬間加載沖擊試驗(yàn)最開始是由德國核管理局提出構(gòu)想，并在法國電力集團(tuán)的見證下在德國BAM試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，最開始要求試驗(yàn)室按V0=L0（L0為兩夾具之間的距離，單位為mm）的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)，但后來法國電力集團(tuán)發(fā)現(xiàn)不同規(guī)格的接頭組件均采用V0=L0條件進(jìn)行試驗(yàn)時，不同直徑鋼筋的應(yīng)變速率不一致，主要是由于不同直徑的鋼筋連接試件中鋼筋接頭長度占整個試件的長度不一導(dǎo)致試件中鋼筋段的長度不一致，在試驗(yàn)過程中它們的應(yīng)變率相差較大，無法統(tǒng)一判定結(jié)果。雖然瞬間加載沖擊試驗(yàn)中高速度是達(dá)到高應(yīng)變率的必要條件，但是高速度并不是試驗(yàn)的最終目標(biāo)，試驗(yàn)的最終目標(biāo)是達(dá)到指定的應(yīng)變率，即鋼筋接頭在鋼筋受1 s-1速率變形時的連接能力。所以2009年之后所有的測試條件均改為“V0=L0-LP（Lp為鋼筋接頭的長度，單位為mm）”，即以兩夾具之間的鋼筋自由段總長為加載速度。我國自主三代核電站在引進(jìn)抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭時，對瞬間加載沖擊試驗(yàn)的要求是“將標(biāo)距過的試件放在試驗(yàn)加載器的夾具之間，控制加載應(yīng)變率為1 s-1，即加載速率V0=L0（mm/s），L0為夾具之間的長度”。這一要求與后來法國電力集團(tuán)所提的V0=L0-LP有所出入，所以本研究希望通過對比兩種不同條件下試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討不同加載速度對結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備

用于抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭瞬間加載沖擊試驗(yàn)的設(shè)備為1 000 kN液壓伺服沖擊試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)位于德國柏林的BAM測試中心，是目前全球唯一有資質(zhì)進(jìn)行抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭瞬間加載沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)室，該沖擊試驗(yàn)機(jī)是BAM測試中心為測試結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的受力性能，而研制了伺服液壓1 000 kN沖擊試驗(yàn)機(jī)，該沖擊試驗(yàn)機(jī)最大極限靜力為1 000 kN測試設(shè)備，配有超高精度控制閥和強(qiáng)大的伺服閥，傳感器采樣數(shù)據(jù)頻率為10 000 Hz，同時配備了3 000幀/s的高速攝像機(jī)，使試驗(yàn)過程的可控制性、可視性和可靠性得到保障。

試驗(yàn)設(shè)備在加載應(yīng)變率為1 s-1時的最大加載力約930 kN，能夠進(jìn)行最大的鋼筋規(guī)格是φ40 mm的HRB500級[3]的鋼筋接頭試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置可以根據(jù)試件的長度設(shè)定加載速率，活塞桿的最大速度分別為4.5 m/s和8.5 m/s。試驗(yàn)設(shè)備可在0.05 s內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)要求的加載速度，達(dá)到加載速度之后能夠較平穩(wěn)地維持在設(shè)定目標(biāo)速度，以便實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需要的加載速度或者應(yīng)變率。

2 試驗(yàn)說明

應(yīng)變速率1 s-1即要求鋼筋在1 s時間內(nèi)伸長率從0～100%的長度，即要求加載速度與鋼筋伸長段之比為L/s（單位：mm），因鋼筋的實(shí)際最大力延伸率在10%～16%，所以瞬間加載沖擊試驗(yàn)從開始加載到試驗(yàn)結(jié)束實(shí)際只需0.1～0.16 s。抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭試件的瞬間加載沖擊試驗(yàn)要求鋼筋接頭在拉伸試驗(yàn)過程中始終保持對鋼筋的握裹，使試件在試驗(yàn)結(jié)果的破壞發(fā)生在鋼筋的母材上，最大限度地發(fā)揮鋼筋的性能。

BAM測試中心曾提出，鋼筋接頭在瞬間加載沖擊試驗(yàn)過程中，它的延伸是很小的。應(yīng)變率是材料相對于時間的應(yīng)變（變形）的變化，平均應(yīng)變速率等于△l/t，即△l=△l1+△l2（△l1是表示試驗(yàn)載荷從0到拉斷時鋼筋接頭的增量，△l2表示試驗(yàn)載荷從0到拉斷時，非破斷段的增量），即總變形=鋼筋的變形+鋼筋接頭的變形。ε接頭在實(shí)測過程中接頭的變形非常小，而試驗(yàn)的目的是實(shí)現(xiàn)鋼筋的塑性變形，因此應(yīng)變率為1 s-1應(yīng)該發(fā)生在鋼筋，接頭本身應(yīng)保持完好，沒有任何明顯的塑性變形。因此，進(jìn)行瞬間加載沖擊試驗(yàn)時的加載速率應(yīng)僅計算兩端夾具之間鋼筋自由段的長度。

為了驗(yàn)證鋼筋接頭在試驗(yàn)過程中的延伸率，本研究還進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)對比，對比12組抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭的鋼筋接頭部分在試驗(yàn)前后的變形情況，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋼筋接頭試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的長度參數(shù)對比延伸率分別為0.016%和0.02%，相對比的鋼筋的延伸率為9%～14%，鋼筋接頭區(qū)的延伸變化率只占到整個試驗(yàn)延伸的2%左右，所以鋼筋接頭區(qū)間的延伸率在試驗(yàn)過程中可以忽略不計。

假設(shè)連接件總長Lg=1.25 m，夾具間的距離L0=1.0 m，鋼筋接頭段長度Lp=0.36 m，鋼筋段長度Ir=L0-Lp=0.64 m，即當(dāng)采用V0=L0時，不考慮鋼筋接頭的變形，其鋼筋的應(yīng)變速率為V0? /（Ir）=1/0.6=1.56 s-1，其應(yīng)變速率較1 s-1的應(yīng)變速率增加了約56%。所以，如果采用V0=L0時，鋼筋的應(yīng)變速率實(shí)際上是比1 s-1要增加的。本研究選取φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm 3種規(guī)格HRB500E的帶肋鋼筋[3]的連接組件進(jìn)行對比（見表1）。從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)采取V0=L0時，同樣規(guī)格的不同類型的鋼筋接頭其鋼筋的應(yīng)變率是不一致的，不同的LP長度導(dǎo)致其最終應(yīng)變速率ε的不同，這導(dǎo)致與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和測試程序要求1 s-1不同。因此，這種比較非常清楚地說明了加載速度的取值將在很大程度上改變鋼筋的應(yīng)變率，將鋼筋的長度（Ir）用于試驗(yàn)速度（v），不同類型的鋼筋接頭可以得到相應(yīng)的條件和可比較的測試結(jié)果。這一定義確保了每一種類型的鋼筋接頭的塑性應(yīng)變率在1.0 s-1左右的鋼筋符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測試程序的要求。

3 試驗(yàn)設(shè)計

為使試驗(yàn)更貼近工程實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)樣品規(guī)格分別選取了目前三代核電工程應(yīng)用最多的φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm型的高速拉伸的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比分析，4件母材中2件靜載，2件瞬間沖擊?！癡0=L0”“V0=L0-Lp”條件的瞬間加載沖擊試驗(yàn)各5件，共14件試件，具體試驗(yàn)條件見表2。按BAM試驗(yàn)室要求，母材和連接組件的總長應(yīng)為（1 250±5）mm，每種規(guī)格母材取4根1 250 mm，母材鋼筋上每間隔30 mm做一個標(biāo)記，將母材鋼筋分成若干個30 mm的原始標(biāo)距;將母材鋼筋安裝至加載裝置，記錄自由段初始長度L0 （即等于兩夾具間距離）。

第1、2組為靜載拉伸試驗(yàn)，用于確定試樣母材鋼號及相關(guān)參數(shù)，加載速率V0=0.25 mm/s，直至鋼筋拉斷。

第3、4組為瞬間加載沖擊試驗(yàn)，用于確定鋼筋在瞬間加載沖擊下的性能，作為鋼筋接頭組件沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)依據(jù)，加載速率V0=L0，直至破斷，值得一提的是，鋼筋母材的瞬間加載沖擊試驗(yàn)時，沒有接頭，故無論采用哪個瞬間加載沖擊試驗(yàn)的條件均為V0=L0。

第5～9組為“V0=L0-Lp”條件的瞬間加載沖擊試驗(yàn);第10～14組為“V0=L0”條件的瞬間加載沖擊試驗(yàn)（見表2）。

記錄實(shí)際抗拉強(qiáng)度和斷后的標(biāo)距長度;其中，有效測量標(biāo)距范圍：距離夾持區(qū)應(yīng)不小于20 mm且不小于鋼筋公稱直徑d（取兩者之間的大值）;距離斷裂點(diǎn)應(yīng)不小于50 mm或不小于2 d（取兩者之間的大值）[4-5]。

啟動頂部夾持裝置，使夾持裝置夾緊連接組件上端，降低液壓缸，直至底部夾持裝置能夾緊連接組件下端;啟動加載置，使連接組件處于拉緊狀態(tài)，測量兩夾具之間的尺寸L0、連接頭長度Lp，X1、X2為夾持區(qū)域;設(shè)置加載速度為加載應(yīng)變率V0=L0-LP，即V0=（L0-Lp）/1 s、V0=L0/1 s，開始加載直至破壞。用高速攝像機(jī)記錄破斷瞬間（如圖2所示）。

4 試驗(yàn)對比

試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見表3、表4、表5。

5 結(jié)語

從以上數(shù)據(jù)對比可以看出，無論是以“V0=L0-LP”還是“V0=L0”為試驗(yàn)加載速度，其抗拉強(qiáng)度均比靜載拉伸有較大幅度的提高?！癡0=L0-LP”試件的抗拉強(qiáng)度分別比母材抗拉強(qiáng)度提高7.1%、5.7%、6.5%;“V0=L0”試件的抗拉強(qiáng)度分別比母材抗拉強(qiáng)度提高7.2%、6.1%、7.0%。說明鋼筋的抗拉強(qiáng)度受加載速度較大的影響，需要通過瞬間加載沖擊試驗(yàn)且對鋼筋接頭的要求也相對提高，這也是目前國內(nèi)通過該試驗(yàn)的產(chǎn)品不多的原因之一。采取“V0=L0”時，其試件抗拉強(qiáng)度相對“V0=L0-LP”有較小幅度的提升，分別為0.41%、0.56%、0.14%（見表6）。

鋼筋應(yīng)變速率在相對于1 s-1大幅提升時，其拉伸力學(xué)性能并沒有隨著應(yīng)變速率線性上升，只是相對有微小提升，文中所提及的兩種不同的試驗(yàn)條件對鋼筋接頭的性能要求影響不大;采用“V0=L0”時，對設(shè)備要求更高，需要設(shè)備在提供一定拉伸力值的條件下提供更快的加載速度。

安全殼外殼在實(shí)際發(fā)生撞擊時，不同區(qū)域內(nèi)的鋼筋所受的應(yīng)變速率并非一致，同一片區(qū)域內(nèi)的不同鋼筋更多以相同速度發(fā)生變形。在核電工程實(shí)際應(yīng)用過程中，選用“V0=L0-LP”還是“V0=L0”，取決于設(shè)計者對抗飛機(jī)撞擊用鋼筋接頭的目標(biāo)，是指定的速度還是指定的應(yīng)變速率，這將決定最終試驗(yàn)時所采用的加載條件。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李軍.我國又一項(xiàng)核電科研項(xiàng)目取得重大突破[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2015（6）：41.

[2]張紅軍.世界核電技術(shù)發(fā)展新趨勢探討[J].中國核工業(yè)，2016（8）：44-45.

[3]GB 1499.2—2018，鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋[S].

[4]ISO 15835-1Y 2009，Steels for the reinforcement of concrete-Reinforcement couplers for mechanical splices of bars-part1：Requirements[S].

[5]GB/T 228.1—2010，金屬材料拉伸試驗(yàn)[S].