冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究_张望喜

比较 4#与 6#试件应变时程曲线 , 可以看出 , 装夹 部位对测试结果的影响较大 , 与冲击端装夹相比 , 中部 装夹测得的应变较小 。冲击 端装夹时 , 弹体撞击过程 中 , 固定所用的环氧树脂给试件能产生一定的约束 , 中 间装靶对靶困难 , 子弹与试件并不是正面碰撞 , 这些对 应变测试结果均有影响 , 装夹部位设在试件中部更能 真实的模拟试件受力的真实情况 。 3. 3 约束情况的影响 实际工程中, 经常用碳纤维加固钢管混凝土 (CFT)柱 , 而形成约束钢筋混凝土 (CCFT )柱 , 本次试 验中 7#和 8#试件即是如此 , 考虑到碳纤维层厚度无法 按实际相似模型进行缩放 , 试件的碳纤维包裹了两层 , 意在研究碳纤维约束的影响 , 试件装夹部位设在试件 中部 。 比较 6#和 7#、8#试件应变时程曲线 , 可以看出 , 冲击端较大的应变采用外包碳纤维约束后 , 数值明显 小于没有包碳纤维时的结果 , 但同时纤维也发生破裂 ; 而中间应变较小 , 包碳纤维对应变几乎没有影响 , 碳纤
1. 4 试 验装 置标 定
本次试验装置标定主要集中在弹体速度 u 与注气 压力 P 0和弹体初始位置的关系上 。由于轻气炮实验装 置采用压缩空气作加载工质 , 记弹丸质量为 M , 发射管
长为 L, 横截面积为 A, 发射管中气体的推进压力为 P 。
不考虑弹丸与管壁的摩擦 、附面层以及热传导的影响 ,
第 5期 张 望喜等 :冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究
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( a) 胶结在带孔钢板上的试件
(b) 炮管出口处的弹体
( c) 固定在靶架上的试件
(d) 轻气炮实验装置全景
图 3 试件与试验装置照片
1. 3 测 点布 置与 数据 采取
当高速运行的弹丸碰撞试件时 , 冲击波在试件中 产生并传播 , 粘贴在试件侧面的应变片将记录到一组
应变信号 , 并通过数字存 储示波器记录 。 钢管表面动
应变通过多通道动态应变仪测量 , 测点布置与编号如
图 2示 , 沿试件轴向和环向布置 , 每个试件共 4组 8个
应变片 , 分别位于试件的冲击端边缘 约 10mm 处和中
部 。应变采样通过位于试件撞击面的两个铜片与弹体
接触触发 ;弹体碰撞前的速度由炮击系统通过测量弹 体撞击各电探针的时间间隔及相应间距获得 。
关键词 :钢管混凝土柱 , 冲击荷载 , 力学性能 , 模型试验 中图分类号 : TU 375 文献标识码 :A
0 引 言
近年来 , 国际上时有发生的恐怖袭击给社会和人 民生命财产造成了很大的伤害 。人为爆炸产生的冲击 波在很短的时间内达到最大值 , 其在建筑物局部产生 的最大压力可能比常规设计所选用的荷载高几个数量 级 , 在冲击荷载作用下结构或构件表现出不同于在常 规荷载作用下的破坏特征及受力性能 。 钢管混凝土具 有强度高 、重量轻 、延性好等 优点 , 碳纤维约束又能进 一步提高其延性和强度 , 通过冲击试验研究钢管混凝 土和碳纤维约束钢管混凝土构件的冲击性能具有很强 的现实意义 。 本文在轻气炮试验装置 [ 1, 2] 上完成了钢 管混凝土柱模型的冲击试验 , 获取了构件在冲击荷载 下的应变时程曲线和破坏形态 , 比较了不同弹体冲击 速度 、试件装夹部位 、试件外包约束等因素的影响 。作 为钢管混凝土柱 (CFT )和约束钢筋 混凝土柱 (CCFT ) 系列研究[ 3] 的部分成果 。
摘 要 为研究冲击荷载下钢管混凝土柱 (CFT )的力学性能 , 采用 φ57mm 轻气炮实验装置和技 术 , 进行了 8个钢管混凝土柱模型的冲击试验及模拟分析计算 。 测得了不同弹体冲击速度下试件表面 的应变时程曲线 , 获取了试件破坏形态及残余变形 , 比较了不同弹体冲击速度 、试件装夹部位 、试件外包 约束等因素的影响 。结果表明 , 冲击荷载作用下试件残余变形 、应变变化直接与弹体冲击速度有关 ;受 弹体碰撞后 , 试件冲击端的残余变形最大 ;装夹部位设在试件中部更能真实的模拟试件受力的真实情 况 ;外包碳纤维对试件的抗冲击性能有一定的改善 , 尤其是在横向变形较大的部位 ;钢管混凝土柱模型 试件的应变量级很大 , 环境噪声影响较大 , 可采用大阻值和大量程应变片提高应变准确度 。
速度趋于无穷时 , 摩擦效应趋于定值 , 按下式对气体推
进压力 P 进行校正 , 得到修正后的气体推进压力 P ′:
P ′=P (1 +e-λu )
(4)
通过测得的注气压力 、加载 速度标定出摩擦因子
λ。 在 高 速 区 为 :λ =1 /65. 10264;中 速 区 为 λ =
1 /557. 1878;不抽真空时低速区为 :λ=1 /3681. 33。 实 验中 , 不同注气压力下的弹体速度的实测值与理论 (计
由牛顿第二定律可得 :
M
du dt
=Mu
du dt
=P
A
(1)
设子弹作一维平面运动 , 利用一维等熵膨胀和热
力学关系式 , 可以求出推进压力与子弹速度的另一种
表达式 :
P P0
=
1
-
γ2
1
u C0
2γ γ- 1
(2)
其中 C0为气体初始声速 , 取 340m /s。 γ为气体常 数 , 空气取 1. 4。
图 1 试件尺寸
本试验在国防科技大学的 φ57mm 轻气炮试验装
置上完成 , 它是利用气炮中高压气体的突然释放推动
弹体沿抽真空的炮管加速运动 , 最后碰撞事先安装固
定在专用卡具 (耙架 )上的试 件 (耙 ), 实 现冲击加载 ,
如图 2所示 。
图 2 试验装置与测点布置示意图
国家自然科学基金 (59978015)和国家 “ 985 工程 ”共同资助项目 收稿日期 : 2005 - 08 - 16 修改稿收到日期 :2005 - 09 -27 第一作者 张望喜 男 , 博士 , 副教授 , 1971年生
1 试验方案
1. 1 试件 设计 考虑轻气炮试验装置的特点 , 取 1:60钢管混凝土 柱缩尺模型进行试验 , 如图 1示 , 钢管外径 50mm , 壁厚 1mm , 材 料 Q235, 设 计混 凝土 强 度等 级 C35, 实配 C 39. 03, 试件总长 100mm 。
1. 2 试验 装置
理论值
实测值
冲击端
无约束
102. 0
100. 0
冲击端 冲击端 冲击端
无约束 无约束 无约束
200. 0 86. 0 52. 2
186. 5 81. 5 49. 1
中部 中部 中部
无约束 无约束 碳纤维
61. 0 52. 2 52. 2
62. 3 51. 9 52. 5
中部
碳纤维
61. 0
———
备 注
弹体速度 (m /s)
试件直径 (mm)
冲击前 冲击后 (平均 ) (最大 )
试件高度 (mm)
冲击前 冲击后 备注 (平均 ) (平均 )
1# 100. 0 2# 186. 5 3# 81. 5 4# 49. 1 5# 62. 3 6# 51. 9 7# 52. 5 8# 62. 3
50. 06 50. 06 50. 16 49. 99 50. 00 49. 95 49. 96 49. 96
编号
1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#
注气压力 (M Pa)
1. 0 3. 0 0. 7 0. 5(炮口入内 2m) 0. 7(炮口入内 2m) 0. 5(炮口入内 2m) 0. 5(炮口入内 2m) 0. 7(炮口入内 2m)
表 2 试件试验参数及情况汇总表
装夹部位 约束情况
弹体速度 (m /s)
始位置 , 即压缩气体对弹体作用的距离 , 计算得到弹体
在发射管出口处的出口速度 。
在实验过程中 , 实测弹体速 度与理论计算速度间
存在一定差异 , 为了更准确地控制加载速度必须对 (3)
式的计算结果进行校正 。 综合考虑摩擦等因素对加载
速度的影响 , 当加载速度为 0时 , 注气压力为 0;当加载
300μs, 波宽约为 60μs, 中间轴向应变比前端起跳延时 约 13μs, 同时波宽变宽 , 波幅变小 , 这是由于在波传播
过程中有衰减 , F - R 应变 片 16μs左右起跳 , 30. 52μs 达最大值 20 500μs, 波宽约为 20μs。M - R 应变片在 20μs左右起跳 , 后维持在 3 000μs上下波动 , 环向应变 起跳延迟并不明显 。
54. 22 66. 22 54. 74 51. 38 51. 34 50. 98 51. 78 53. 70
99. 84 98. 94 100. 68 99. 98 99. 89 99. 81 99. 95 99. 80
97. 64 85. 24 92. 26 99. 78 99. 74 98. 74 100. 30 97. 56
3. 1 弹体冲击速度的影响 从图 4和图 5可以看出 , 试件在冲击荷载作用下 , 其残余变形 、应变变化直接与弹体冲击速 度有关 。 在 试件材料性能相同的条件下 , 冲击速度越大 , 试件残余 变形越大 , 有效范围内应变时程曲线越陡 , 即上升段曲 线上升越快 。 3. 2 装夹部位的影响 从图 4和图 5可以看出 , 冲击荷载作用后 , 装夹部 位设在冲击端的 1#～ 4#试件的形状近似为鼓形 , 而装 夹部位设在中部的 5#～ 8#试件的形状为圆台形 , 在钢 管表面应变时程曲线图上也有反应 。 6#试件测试四个 应变片信号齐全 , 结果较理想 , F -Z 应变片 3μs左右
第 5期 张 望喜等 :冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究
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2#试件
3#试件
4#试件
6#试件
7#试件
图 5 钢管表面应变时程曲线
8#ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件
起跳 , 38. 72μs达最大值 14 550μs, 波宽 (每个脉冲出现 的时间 , 包括上升时间 、下降时间等 )约为 30μs, M - Z 应变 片 在 15μs 时 起 跳 , 21. 68μs 达 最 大 值 约 为 3
4
v - 08#
2
v - 09#
2
v - 10#
1
v - 11#
1
注气压力 (M P a)
弹体速度 (m /s) 实测值 理论值
7. 5
276. 1 297. 7
3. 0
205. 1 199. 2
1. 6
126. 9 124. 7
1. 0
100. 0 101. 5
0. 7
90. 2 86. 0
0. 7
第 25卷第 5 期
振 动 与 冲 击 JO URNA L O F V IBRA TION AND SHOCK
V o.l 25 N o. 5 2006
冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究
张望喜 1 单建华1 陈 荣 2 肖 岩 1, 3 卢芳云 2 王志兵 2
(1. 湖南大学土木工程学院 , 长沙 410082; 2. 国防科学技术大学理学院 , 长 沙 410037; 3. 美国南加州大学土木与环境工程系 , 洛杉矶 CA 90089)
算修正 )值如表 1所示 。
98
振 动 与 冲 击 2006年第 25卷
表 1 不同注气压力下弹体速度的实测 值与理论计算值
编 号 装弹深度 (m)
v - 01#
4
v - 02#
4
v - 03#
4
v - 04#
4
v - 05#
4
v - 06#
4
v - 07#
应变信号未触发 M - R 应变片无信号
正常 F - R 应变片无信号
正常 正常 正常 正常
图 4 冲击荷载作用后的试件变形照片
2. 3 应变时程曲线 在不同弹体冲击速度 、试件装夹部位、试件外包约束
3 分析与讨论
(有无碳纤维)下的部分试件的应变时程曲线如图 5示 。
表 3 试件回收情况简表
编号
联立 (1)式和 (2)式可求出注气压力 P0与加载速 度 u之间的关系 :
P0 AL
MC
2 0
=γ2+1
1
2 +γ- 1
-
γ+1 γ- 1
1
-
2 γ-
1
1-
u(γ- 1) 2C0
γ+1 γ- 1
u C0
(3)
通过上式可计算出一定注气压力下 , 弹体所获得
的加速度 , 进而根据发射管长度及弹体在发射管中初
81. 5 86. 0
0. 5
71. 3 73. 6
0. 7
62. 8 61. 0
0. 5
49. 1 52. 2
0. 5
37. 5 37. 6
0. 3
30. 4 29. 5
2 试验结果
2. 1 试验参数汇总 本次试验共有 8个试件 , 其中 1 ～ 4#采用前端装 靶 , 靶环固定位置靠试件前端 , 对前端应 变计有约束 。 试件 5 ～ 8#采用中间装靶 , 靶环固定位置靠试件中端 , 避开了应变片所在位置 。 另外 7#、8#试件外包有碳纤 维 。 弹体采用钢弹 , 质量为 815g。 表 2 给出了各试件 试验参数概况 。 2. 2 变形特征 用游 标卡尺测 量冲击试 验前后试 件的高 度和直 径 , 结果见表 3, 冲击试验后试件残余变形照片见图 4。