混凝土动态直接拉伸实验技术研究

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1、第２９卷第１期实验力学Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１２０１４年２月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＭＥＣＨＡＮＩＣＳＦｅｂ．２０１４文章编号：１００１－４８８８（２０１４）０１－００８９－０８＊混凝土动态直接拉伸实验技术研究张凯，陈荣刚，张威，姜锡权（合肥新星技术研究所，安徽合肥２３００３１）摘要：霍普金森压杆（ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｒ，简称为ＳＨＰＢ）实验装置越来越多地被应用于混凝土等脆性材料动态压缩力学性能的研究之中。由于种种原因，混凝土动态拉伸的实验研究一般还是通过ＳＨＰＢ实验

2、装置间接进行（例如层裂实验和巴西圆盘实验等）。本文以Ｃ３０混凝土材料为例，根据霍普金森实验技术的两个基本假定（一维假定和均匀假定），探讨了利用大直径（Φ７５ｍｍ）霍普金森拉杆（ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＴｅｎｓｉｏｎＢａｒ，简称为ＳＨＴＢ）实验装置对混凝土类试件进行动态直接拉伸的实验技术问题，提出了一种可行的对混凝土类材料进行直接动态拉伸实验的方法。关键词：霍普金森拉杆（ＳＨＴＢ）；混凝土；应变率；直接拉伸中图分类号：Ｏ３４７．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．７５２０／１００１－４８８８－１３－０６４０引言在

3、现代重大结构工程中，混凝土材料得到广泛应用。这些结构在承受正常的设计荷载的同时，还要承受偶发性的极端环境作用或偶然性的事故，比如地震、火灾、爆炸、撞击等。混凝土属率敏感材料，研究其动态力学性能有着重要的意义。目前，混凝土动态力学性能的研究主要集中在单向应力状态下的压缩问题。借助于霍普金森压杆（ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｒ，简称为ＳＨＰＢ）实验技术的发展，混凝土的动态压缩性能的研究已日趋成熟。由于混凝土材料自身的特点，其压缩和拉伸性能存在很大的差异。工程中，混凝土材料主要用于［１］承受压缩

4、载荷，但在冲击载荷下，应力波的作用使材料、结构的拉伸失效上升为主要矛盾，研究其动态［２］拉伸性能就显得格外重要。有学者利用ＳＨＰＢ实验装置进行了层裂实验和动态巴西圆盘劈裂实［３］验，间接地研究了混凝土材料的拉伸特性。间接实验研究中存在或先承受压应力，再承受拉应力，或应力状态不均匀的问题，无法保证真实的单向拉伸状态，因此有必要探讨动态直接拉伸的实验方法。由于动态拉伸实验的特殊困难性，对混凝土直接拉伸情况下动态性能的实验研究很少。霍普金森拉杆（ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＴｅｎｓｉｏｎＢａｒ，简称为ＳＨＴＢ）实验

5、技术的研究有几十年的历史。［４］Ｋａｗａｔａ和Ｋｏｂａｙａｓｈｉ设计的块－杆型装置（包括摆锤式和转盘式）由于其结构复杂且成本高而不利［５］于推广。１９６０年Ｈａｒｄｉｎｇ等人借助已有的ＳＨＰＢ实验装置设计出套管式ＳＨＴＢ装置，利用拉杆外面的套管传播子弹撞击产生的压缩波，并通过联结点转换为入射杆中的拉伸波，直接加载到试件上。这种［６］装置产生的拉伸波形不易控制，对套管和拉杆的对心要求比较高。１９９１年Ｓｔａａｂ和Ｇｉｌａｔ提出了预拉式ＳＨＴＢ装置，在输入杆的合适位置安装夹具并夹紧，预拉输入杆的一端（输入杆前半段

6、受拉），随后突然松开夹具，存储在输入杆前半段的能量瞬间释放，产生拉伸波。此套实验装置可以产生较好的实验波＊收稿日期：２０１３－０４－２７；修订日期：２０１３－０６－２５基金项目：国家自然科学基金（５１１７８４６２）资助项目通讯作者：姜锡权（１９５８－），男，博士，教授。主要研究方向：材料动态力学性能。Ｅ－ｍａｉｌ：１７４８４２０７９３＠ｑｑ．ｃｏｍ９０实验力学（２０１４年）第２９卷［７］形，但对夹具的要求较高。在Ｎｉｃｈｏｌａｓ提出的反射式ＳＨＴＢ装置中，试件外面套有承压环，可以传播压缩脉冲的主要部分。试件与

7、杆采用螺纹连接，压缩波在输出杆的自由端反射成拉伸波反向传播，直接［８］作用于试件。这种设备改造方便，但需要选择合适的杆长避开波形的干扰。意大利欧盟ＩＳＰＲＡ联合［９］研究中心开发了预拉捆绑式束杆，用来拉伸大尺寸混凝土试件（２００×２００×２００ｍｍ），其入射杆和透射杆均为２０００×２００×２００ｍｍ的铝杆。为了减少几何弥散，在各杆的一半长度（１０００ｍｍ）上用线切割的方法沿杆纵向切成２５根小杆（横截面尺寸４０×４０ｍｍ），而杆的另一半长度则依然保持为整体，即横截面尺寸２００×２００ｍｍ。实验装置可以产生４０ｍ

8、ｓ的加载脉冲，但由于入射杆的长度限制，无法将入射波和反射波有效分开，此外，大尺寸混凝土试件内部的动态应力平衡难以实现。２０００年Ｎｅｍａｔ－Ｎａｓｓ－［１０］ｅｒ研制出带有吸收杆，能实现单次加载的直接拉伸式杆－杆型ＳＨＴＢ实验装置，这种装置是用沿入射杆运动的管状子弹打击入射杆端的法兰盘直接形成拉伸波，杆中拉伸波的传播特性与压杆中的压缩波完全类似，这种方法比较简单易行，并且可以实时观察试件。与金属材料