秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務學院 江蘇 徐州 221000)

鋼纖維‐鋼筋混凝土在低速沖擊作用下的受力環(huán)境研究

秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務學院 江蘇 徐州 221000)

通過分析不同沖擊作用類型下結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境特點，得出低速沖擊作用與其他沖擊效應的不同之處，并進一步分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速沖擊的主要影響因素，為后續(xù)展開不同因素影響下結(jié)構(gòu)性能的試驗研究和數(shù)值模擬提供參考。

鋼纖維-鋼筋混凝土；低速沖擊；受力環(huán)境；影響因素

引言

鋼纖維-鋼筋混凝土因為融合了鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土的特點，使其具有優(yōu)良的抗拉性能和韌性，獲得了國防工程和民用防護工程領(lǐng)域的青睞。但是其在低速沖擊作用下有別于在高速侵徹和爆炸作用下性能表現(xiàn)，分析研究鋼纖維-鋼筋混凝土在低速沖擊作用下的受力環(huán)境有助于擴展此新型結(jié)構(gòu)的應用和研究。

1 沖擊破壞的類型分析

1.1 爆炸沖擊效應

爆炸沖擊一般指帶有爆炸功能戰(zhàn)斗部的炮彈在直接命中防護結(jié)構(gòu)后達到一定侵徹深度后發(fā)生爆炸的高速破壞現(xiàn)象。因為在爆炸之前發(fā)生了一定程度的侵徹，所有爆炸的局部破壞相似于侵徹破壞：炸點附近的巖土或混凝土等防護材料由于爆炸力的沖擊產(chǎn)生空洞狀的破碎和分離，此為爆炸漏斗或爆炸空腔，此范圍內(nèi)的防護材料發(fā)生開裂；炸點下方即結(jié)構(gòu)背面的材料發(fā)生開裂、飛散和剝離等現(xiàn)象，形成爆炸震塌。爆炸能量經(jīng)結(jié)構(gòu)自身傳遞到整個結(jié)構(gòu)，從而形成整體振動、發(fā)生彎曲或剪切變形破壞。

爆炸波的作用處理引起結(jié)構(gòu)的整體振動外，還在結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)傳播應力波，經(jīng)研究，只要結(jié)構(gòu)具有一定的厚度，結(jié)構(gòu)材料具有一定的剛性，以梁為例，其高跨比小于1/4（地面結(jié)構(gòu)）或1/8（土中結(jié)構(gòu)），即淺梁，計算時完全可以忽略結(jié)構(gòu)材料中的波動過程[1]。

1.2 侵徹沖擊效應

侵徹沖擊一般指包括精確制導武器在內(nèi)的炮彈、炸彈彈頭直接沖擊防護結(jié)構(gòu)并侵入到結(jié)構(gòu)中去，其運動速度一般達到甚至超過因此具有巨大的動能。彈頭的動能一方面消耗在彈殼的變形上，另一方面消耗在靶體材料，包括土壤、巖石等防護材料以及鋼筋混凝土、鋼纖維-鋼筋混凝土等防護結(jié)構(gòu)材料的變形和破壞上，同時產(chǎn)生熱量。巖土和混凝土材料在彈著點附近發(fā)生分離和破碎，形成比彈頭直徑稍大的空洞，在空洞附近的材料中則產(chǎn)生裂縫。上述效應稱為侵徹，形成的空洞稱為侵徹漏斗坑。當靶材厚度不大時，沖擊可能在正面形成變形、破壞的同時，在目標沖擊點下方的背面發(fā)生開裂和材料的剝離和飛散，這種現(xiàn)象稱為震塌。一般來說，彈頭的高速動能主要被上述發(fā)生在彈著點附近的材料變形和破壞作用消耗掉，故稱為侵徹局部作用，較小部分的能量則傳輸給防護結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)。

1.3 低速沖擊效應

事故型的偶然撞擊效應是典型的低速沖擊效應，常發(fā)生在各種建筑工程領(lǐng)域，包括核反應堆防護殼需要考慮空難事故中飛機的墜落，其墜落重量可達數(shù)十噸乃至上百噸，其撞擊速度可達 250～300 /m s；工業(yè)建筑中偶然爆炸事故以后上層結(jié)構(gòu)破壞后構(gòu)件飛散和墜落的撞擊，飛散速度可達 100 /m s，墜落速度可達15～20 /m s；海岸和河岸水工結(jié)構(gòu)的平臺下部以及橋梁的橋墩可遭遇到艦、船的撞擊，其重量可達數(shù)十噸，速度可達30 /m s；其他還包括裝配式建筑結(jié)構(gòu)中裝配過程中偶然的構(gòu)件撞擊等。上述撞擊效應區(qū)別于武器侵徹效應的是撞擊速度一般為中、低速，個別可達到高速，但也小于300 /m s[2]。

2 影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗沖擊性能的因素

2.1 縱向鋼筋

縱向抗彎鋼筋是鋼筋混凝土板抵抗結(jié)構(gòu)沖擊變形和受拉的主要材料，屈服強度yf和配筋率ρ被業(yè)界普遍認為是影響鋼筋混凝土板抗沖切承載力主要指標。鋼筋混凝土板的配筋率在某一范圍內(nèi)與板的抗沖切性能成正比，但是超過這一限度（一般認為是2%）則不再提升其抗沖切能力。

配筋形式是除了鋼筋配筋率外對裂縫發(fā)展有影響的因素，比如梁受沖擊之后進入塑性階段，配置光圓縱向鋼筋可形成一個法向和兩個傾斜的三個塑性鉸；配置縱向螺紋鋼筋會形成兩個傾斜塑性鉸和塑性區(qū)；配置密排橫向鋼筋，當箍筋間距很小時，傾斜裂縫難以發(fā)展，不易形成傾斜塑性鉸，只能形成法向塑性鉸和法向塑性區(qū)，變形主要集中在法向斷面。

2.2 基體混凝土強度

影響基體混凝土強度的因素有：配合比，混凝土制作方法，外加劑的使用，攪拌工藝和養(yǎng)護條件等?，F(xiàn)行的強度公式是建立在大量試驗的基礎，混凝土強度設計需要滿足相應的抗拉強度、抗壓強度、和易性指標和工藝要求?；炷翉姸萩f、tf是表征混凝土抗沖切承載力的主要指標，混凝土的強度與板的承載力大小成正比關(guān)系。

普通混凝土配合比分為六個步驟，每個步驟均是影響基體混凝土強度的因素。首先根據(jù)混凝土的強度和耐久性要求確定水膠比并進行似配制；然后根據(jù)所需坍落度的要求計算單位用水量；估算砂率并計算初步配合比；最后根據(jù)拌合物實際狀態(tài)調(diào)整配合比并進行校核?；炷僚浜媳仍O計還需結(jié)合最終拌合物的特性以及混凝土硬化后的強度特點進行調(diào)配。

2.3 鋼纖維

除了基體素混凝土的強度，影響鋼纖維混凝土強度的因素還有：鋼纖維體積率，鋼纖維的制作方法與材質(zhì)，鋼纖維-基體界面粘結(jié)性能等。依據(jù)現(xiàn)行的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》中對強度計算的規(guī)定，鋼纖維混凝土的制備強度主要考慮基體混凝土強度、鋼纖維含量和鋼纖維類型三方面因素。

鋼纖維-鋼筋混凝土板的抗沖切極限承載力和延性與鋼纖維摻量成正比，但是必須在一定范圍內(nèi)，一般是在 0.5%～3.0%范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的抗沖切能力在超出此范圍后將不隨鋼纖維摻量增加和增加，如圖 2所示。鋼纖維類型也是影響其抗拉性能的一個因素，在做鋼纖維混凝土的靜態(tài)抗壓、抗彎試驗時，鋼纖維按增韌作用強弱依次為：弓形＞平直形＞波紋形＞壓棱形。而后三種鋼纖維的增韌效果差異主要由纖維長徑比決定，強弱順序與長徑比從大到小的排序相同，鋼纖維形狀的影響并不顯著。在進行抗沖擊試驗時，不同形狀鋼纖維在不同應變率情況下的增強作用有所差異：波紋形鋼纖維在低、中應變率條件下對試驗值有明顯提升作用，但是其增強效果在高應變率情況下相對減弱；弓形鋼纖維在三種應變率情況下增強效果均比較穩(wěn)定，特別是在高應變率條件下，其增幅達到33%。值大量試驗表明：低速沖擊作用下結(jié)構(gòu)整體變形程度明顯多于高速沖擊作用，盡管低速沖擊作用下值較大）同樣發(fā)生類似于高速沖擊作用的局部破壞現(xiàn)象，可是多數(shù)情況下裂縫群h 的發(fā)展主要集中在鋼纖維-鋼筋混凝土板背沖擊面d1＞ d區(qū)域內(nèi)，并且此時結(jié)構(gòu)的邊界支承條件不對裂縫發(fā)展產(chǎn)生影響，因為消耗在局部破壞的沖擊動能較高速沖擊已經(jīng)減弱。在相同條件下，增大值可以使結(jié)構(gòu)在低速沖擊作用下的破壞更多地轉(zhuǎn)化為整體破壞。h

低速大徑厚比的事故型沖擊雖然也發(fā)生類似高速彈體沖擊侵徹作用的局部破壞，但是因為侵徹程度很小（徑厚比在計算侵徹深度時如果運用高速沖擊作用公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較誤差達8～9倍，在計算震塌與貫穿厚度時如果運用高速沖擊作用公式，計算結(jié)果誤差同樣很大。究其原因是因為當值偏大時，基本不發(fā)生v ＜ 75 m/sh ≈ h侵徹作用而只有壓入作用，貫穿帶有動力沖切的特性，當0，且ps，發(fā)生純貫穿，因此值影響鋼纖維-鋼筋混凝土板受整體破壞和局部破壞的程度。

3 結(jié)語

1.分析歸納了沖擊作用的三種類型及其相應的特點，重點說明了構(gòu)件在低速沖擊環(huán)境下的特點。

2.分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速沖擊作用的主要因素，得出了縱向鋼筋、混凝土基體強度、鋼纖維分別對其抗沖擊特性的影響。

[1]錢七虎,王明洋.高等防護結(jié)構(gòu)計算理論[M].江蘇南京:江蘇科學技術(shù)出版社,2009.

[2]王明洋,宋春明,王德榮等.鋼筋混凝土板在低速沖擊下的計算方法[J].兵工學報,2004,25(6):672-678.

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1007-6344（2015）09-0053-01