測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置和定量描述方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置和定量描述方法，尤其是一 種在重復(fù)沖擊作用下混凝土損傷演變規(guī)律的定量描述方法，屬于沖擊動力技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，混凝土起著重要的作用。就混凝土動態(tài)力學(xué) 性能的研宄而言，利用霍普金森壓桿（SHPB)裝置試驗?zāi)芨玫哪M實際工程中所遭受的 中高應(yīng)變率。例如，在隧道建設(shè)中，大跨度隧道因其具有斷面利用率高、扁平率低的特點已 被廣泛應(yīng)用于多車道的高速公路建設(shè)工程中。隧道跨度大往往意味著大斷面的隧道設(shè)計和 施工，在具體施工時，跨度、斷面很大的隧道不宜實行全斷面開挖，尤其是圍巖條件差、對地 表沉陷有嚴(yán)格要求的隧道，多采用三臺階七步開挖法或側(cè)壁（雙側(cè)壁）導(dǎo)坑等分?jǐn)嗝媸┕?法。目前國內(nèi)外高速公路隧道開挖過程中，鉆爆掘進法仍然是最主要的施工手段。因此， 當(dāng)隧道斷面存在多個工作面同時應(yīng)用鉆爆法掘進時，整個隧道斷面要受到多次爆破的動力 擾動作用。為了加快施工效率，經(jīng)常會在噴射混凝土之后不久馬上進行爆破施工作業(yè)。因 此，前期噴射的混凝土?xí)馐芏啻伪_擊波的作用，這樣會對混凝土產(chǎn)生累積損傷破壞 效應(yīng)，對混凝土的破壞具有促進作用。
[0003] 因此，有必要對多次沖擊下的混凝土結(jié)構(gòu)進行研宄。有學(xué)者將損傷理論引入混凝 土領(lǐng)域，提出了應(yīng)變等效假設(shè)，并將損傷引入應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，修正傳統(tǒng)的彈塑性、黏彈性 等本構(gòu)模型，來描述混凝土裂紋的發(fā)展過程。目前，國內(nèi)外對混凝土累積損傷的研宄主要是 在靜載條件下或單次沖擊破壞下混凝土的損傷本構(gòu)模型以及損傷特性，但重復(fù)沖擊荷載條 件下的混凝土損傷演變規(guī)律的研宄幾乎沒有。本試驗方法采用理論與試驗相結(jié)合的方法， 即理論方法是基于Weibull模型的損傷度分析，試驗方法是利用霍普金森壓桿試驗裝置測 得混凝土在重復(fù)沖擊荷載作用下抗拉強度與應(yīng)變之間的關(guān)系，通過二者相結(jié)合能更好的分 析出多次沖擊下?lián)p傷度與應(yīng)變之間的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種測定混凝土損傷演變規(guī) 律的驗裝置和定量描述方法。
[0005] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：包括子彈、紫銅片、入射 桿、透射桿、應(yīng)變片、橋盒和一個與計算機相連的數(shù)據(jù)采集儀；入射桿沖擊端粘貼紫銅片，用 于入射波的整形；入射桿和透射桿中部均貼設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片分別通過橋盒與數(shù)據(jù)采集 儀相連。
[0007] 所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：所述入射桿和透射桿 端面光滑平整，且垂直于桿長方向。
[0008] 所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：還包括試驗用的混凝 土試件，所述混凝土試件夾設(shè)于入射桿和透射桿之間。
[0009] 所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：混凝土試件的加載面 表面涂抹有潤滑劑，用于減小摩擦。
[0010] 本發(fā)明還提供一種測定混凝土損傷演變規(guī)律的定量描述方法，采用上述的試驗裝 置，包括以下步驟：
[0011] (1)試驗前保持入射桿和透射桿端面光滑平整，并且垂直于桿長方向，并在入射桿 沖擊端粘貼紫銅片，用于入射波的整形；試驗所采用的混凝土試件為短圓柱狀；試驗前將 混凝土試件兩端打磨平整，將混凝土試件夾于入射桿和透射桿之間，混凝土試件的加載面 表面用潤滑劑涂抹減小摩擦；
[0012] (2)通過對子彈施壓，使子彈以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生入射壓縮 波，入射壓縮波向混凝土試件傳遞，一部分波進入透射桿成為透射波，而另一部分波作為拉 伸波被反射回入射桿；入射桿和透射桿中部貼有應(yīng)變片，入射桿上的應(yīng)變片用于測量入射 應(yīng)變S 1和反射應(yīng)變ε R，透射桿上的應(yīng)變片用于測量透射應(yīng)變ετ;
[0013] 試驗首先通過調(diào)整子彈速度測量混凝土試件一次沖擊下恰好破壞時的臨界入射 能，臨界入射能通過公?
【主權(quán)項】
1. 一種測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：包括子彈、紫銅片、入射 桿、透射桿、應(yīng)變片、橋盒和一個與計算機相連的數(shù)據(jù)采集儀；入射桿沖擊端粘貼紫銅片，用 于入射波的整形；入射桿和透射桿中部均貼設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片分別通過橋盒與數(shù)據(jù)采集 儀相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：所述入 射桿和透射桿端面光滑平整，且垂直于桿長方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：還包括 試驗用的混凝土試件，所述混凝土試件夾設(shè)于入射桿和透射桿之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置，其特征在于：混凝土 試件的加載面表面涂抹有潤滑劑，用于減小摩擦。
5. -種測定混凝土損傷演變規(guī)律的定量描述方法，采用權(quán)利要求1-4任一項所述的試 驗裝置，包括以下步驟： (1) 試驗前保持入射桿和透射桿端面光滑平整，并且垂直于桿長方向，并在入射桿沖擊 端粘貼紫銅片，用于入射波的整形；試驗所采用的混凝土試件為短圓柱狀；試驗前將混凝 土試件兩端打磨平整，將混凝土試件夾于入射桿和透射桿之間，混凝土試件的加載面表面 用潤滑劑涂抹減小摩擦； (2) 通過對子彈施壓，使子彈以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生入射壓縮波， 入射壓縮波向混凝土試件傳遞，一部分波進入透射桿成為透射波，而另一部分波作為拉伸 波被反射回入射桿；入射桿和透射桿中部貼有應(yīng)變片，入射桿上的應(yīng)變片用于測量入射應(yīng) 變S 1和反射應(yīng)變ε κ，透射桿上的應(yīng)變片用于測量透射應(yīng)變ετ; 試驗首先通過調(diào)整子彈速度測量混凝土試件一次沖擊下恰好破壞時的臨界入射能，臨 界入射能通過公?
ε.求得，其中，E1表示入射能，A e表示霍普金森壓桿 的橫截面積，Ee表不桿的彈性模量，P 6表不桿的材料密度，C 6表不聲波在桿中的傳播速度， ε 1表示入射應(yīng)變，t為入射波傳播時間； 接著用臨界入射能的75%作為子彈的出射速度對混凝土進行反復(fù)沖擊，并用數(shù)據(jù)采集 儀采集數(shù)據(jù)圖像；數(shù)據(jù)采集儀采集到應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖； (3) 試驗所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖像的公式如下所示： σ = E ε (I-D) (I) 其中，σ為應(yīng)力，E為彈性模量，ε為應(yīng)變，D為損傷； 試驗的混凝土模型假設(shè)滿足Weibull分布，且采用二元Weibull四參數(shù)分布模型：
其中，D為損傷，E為彈性模量，ε為應(yīng)變，β 2為形狀參數(shù)，σ 〇1和σ Ce為尺度參 數(shù)； 將式（2)代入式（1)，得到公式：
(4)通過試驗取得的圖像用matlab軟件進行擬合，得出形狀參數(shù)βρ β2以及尺度參 數(shù)0(11和σ ce;再將形狀參數(shù)β 1、以及尺度參數(shù)σ (11和σ (12代入式⑵得出損傷-應(yīng) 變曲線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測定混凝土損傷演變規(guī)律的試驗裝置和定量描述方法，試驗裝置包括子彈、紫銅片、入射桿、透射桿、應(yīng)變片、橋盒和一個與計算機相連的數(shù)據(jù)采集儀；入射桿沖擊端粘貼紫銅片，用于入射波的整形；入射桿和透射桿中部均貼設(shè)有應(yīng)變片，應(yīng)變片分別通過橋盒與數(shù)據(jù)采集儀相連。基于SHPB技術(shù)上對反復(fù)沖擊下混凝土損傷演變規(guī)律的定量描述方法，以Weibull分布的統(tǒng)計損傷模型為理論指導(dǎo)，運用SHPB試驗裝置對混凝土進行軸壓試驗，相對于當(dāng)今使用的一元Weibull二參數(shù)模型具有更高的精度和準(zhǔn)確性。
【IPC分類】G01N3-32
【公開號】CN104833599
【申請?zhí)枴緾N201510236896
【發(fā)明人】陳徐東, 徐令宇, 葛利梅, 朱喬, 陳晨, 邵羽
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月11日