程瑞 CHENG Rui；王璽智 WANG Xi-zhi；郭翰林 GUO Han-lin；高德龍 GAO De-long；雷金菲 LEI Jin-fei；趙云康 ZHAO Yun-kang

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100000）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被大量應(yīng)用于現(xiàn)代各種建筑物中，為了更好研究鋼筋混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，眾多學(xué)者針對(duì)不同情況開展了研究。付李[1]等針對(duì)鋼筋混凝土尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)尺寸效應(yīng)隨著模型在遭受多次沖擊后的抗剪作用減小而增大，且試件在遭受多次荷載后發(fā)生破壞時(shí)，尺寸效應(yīng)更加明顯；余波[2]等針對(duì)混凝土梁結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化模型，合理分析混凝土及箍筋共同作用，簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并且擁有良好的計(jì)算精度，模型兼顧了計(jì)算精度及簡(jiǎn)便性，被用以分析抗剪承載力；廖俊智[3]等采用數(shù)值模擬方法研究了鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的剪應(yīng)力傳播規(guī)律，隨著沖擊能量增加，梁體動(dòng)能轉(zhuǎn)化增加，梁體的破壞模式由整體彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)榫植考羟衅茐?；包恩和[4]等證明了箍筋加密對(duì)最大承載力、破壞前剪切變形有影響，試件的變形能力與耗能性隨著箍筋加密增加而增加，而屈服荷載等數(shù)據(jù)沒有太大變化；周錫武[5]等通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合方式得出鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)破壞方式主要取決于局部發(fā)生剪切效應(yīng)，產(chǎn)生沖切破壞后，梁的抗彎抗剪能力是否能夠承受剩余的沖擊荷載。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C40 強(qiáng)度，配比參照文獻(xiàn)[6]，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)采用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)方式獲取鋼筋混凝土的靜態(tài)強(qiáng)度，試件尺寸為50mm*50mm*100mm 圓柱試件，鋼筋骨架的配筋方式為3mm 直徑的圓形箍筋配4 根縱筋，配筋率為1.44%，保護(hù)層厚度為7.5mm，即箍筋圓直徑35mm，縱筋長(zhǎng)度85mm。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)試件尺寸為50mm*50mm*50mm 圓形試件，配筋型號(hào)與靜態(tài)相同，即3mm 直徑鋼筋作為縱筋，箍筋圓直徑35mm，縱筋長(zhǎng)度35mm。

動(dòng)態(tài)及靜態(tài)實(shí)驗(yàn)試件為了確?；炷翉?qiáng)度，采用澆筑方形試件-取芯-打磨的方式制取試件（圖1）。首先澆筑尺寸為200mm*200mm*200mm 混凝土試件，并按照鋼筋骨架設(shè)計(jì)計(jì)算好骨架位置后進(jìn)行取芯與切割，為了直觀觀察鋼筋混凝土中骨架對(duì)于混凝土強(qiáng)度的影響情況，采用同樣尺寸與配比澆筑不同強(qiáng)度鋼筋混凝土進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及素混凝土試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)作為對(duì)照組，試件養(yǎng)護(hù)過程符合工程要求，并利用磨床對(duì)兩端面進(jìn)行研磨，其不平行度在0.02mm 以內(nèi)，試件最終長(zhǎng)徑誤差在±0.02mm。

圖1 試件制備過程

1.2 試件加載

靜態(tài)加載采用0.5mm/s 的加載速率對(duì)試件施加壓力（圖2），并建立試件體積V、最大橫向尺寸d、以及高徑比h/d3 個(gè)參數(shù)之間函數(shù)，參考文獻(xiàn)[7]對(duì)不同形狀，不同尺寸混凝土試件進(jìn)行比較后，其抗壓強(qiáng)度具有較高相關(guān)性，可忽略高徑比h/d 影響，即不同尺寸混凝土試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試件（150mm*150mm*150mm）關(guān)系可表達(dá)為：

圖2 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)力隨位移變化曲線

乘以相關(guān)系數(shù)后得出鋼筋混凝土的靜態(tài)強(qiáng)度為38.9MPa。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)采用Φ50mm 分離式SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)原理為實(shí)驗(yàn)中子彈撞擊入射桿后，產(chǎn)生一壓縮應(yīng)力波，由于應(yīng)力波為一維傳播，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)試件與入射桿界面時(shí)，試件波阻抗小于入射桿波阻抗，產(chǎn)生一個(gè)反射波，并繼續(xù)在試件與透射桿界面發(fā)生透射反射。當(dāng)試件長(zhǎng)度與應(yīng)力波的矩形脈沖長(zhǎng)度相比足夠小時(shí)，可視為應(yīng)力波產(chǎn)生一個(gè)反射波進(jìn)入入射桿，一個(gè)投射波進(jìn)入透射桿，通過粘貼在桿上的應(yīng)變片分別記錄下三個(gè)應(yīng)變脈沖波形，即可計(jì)算出材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

首先確保試件兩端水平滿足實(shí)驗(yàn)需求后，調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使子彈、入射桿、透射桿處在同一直線上，并在入射桿、透射桿粘貼應(yīng)變片。為了確保試件位置與桿完整貼合，在試件兩端涂抹適量凡士林防止試件滑落。并在入射桿前端放置黃銅材質(zhì)波形整形器，減弱波形震蕩，并延長(zhǎng)波形下降沿。設(shè)置不同氣壓下的沖擊試驗(yàn)，觀察試件從產(chǎn)生裂紋到完全破碎的過程，首先驗(yàn)證入射波和反射波疊加所得曲線與透射波曲線變化規(guī)律及數(shù)值基本一致（圖3），說明實(shí)驗(yàn)試件受力平衡，可忽略慣性效應(yīng)。

圖3 透射波與計(jì)算值對(duì)比

隨后采用Origin 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，設(shè)置桿的橫截面積為A0、彈性波波速為C0、彈性模量為E0、試件橫截面積為A、長(zhǎng)度為L(zhǎng)。入射、透射截面及試件的應(yīng)力分別為σ1（t）、σ2（t）、σ（t），入射波，反射波及投射波的應(yīng)變?yōu)?εi，εr，εt。試件兩端速度為 u1，u2，試件平均應(yīng)變?yōu)?ε，應(yīng)變率為。

單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變（應(yīng)變率）為：

在t 時(shí)間內(nèi)應(yīng)變?yōu)椋?/p>

根據(jù)作用力反作用力原理，入射端及反射端應(yīng)力σ1（t）、σ2（t）應(yīng)滿足：

所以試件中的平均應(yīng)力σ（t）為：

SHPB 實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)桿、試件應(yīng)力狀態(tài)均為一維的假定包含了以下假設(shè)：①入射波不震蕩；②忽略界面不連續(xù)性帶來的彌散；③試件的沖擊響應(yīng)是導(dǎo)桿波到的瞬時(shí)產(chǎn)生；④試件無力學(xué)狀態(tài)的突變。

由測(cè)量出的入射波、反射波、投射波三個(gè)波形，通過公式（2）、（3）、（4）即可計(jì)算出試件的應(yīng)力應(yīng)變，并得出動(dòng)態(tài)荷載下的鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖4）。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與靜態(tài)區(qū)別

鋼筋混凝土試件在靜態(tài)加載試驗(yàn)中可發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度的增加，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值也隨之增加，但是其發(fā)生破壞時(shí)的變形則大致相同，這是因?yàn)殇摻罨炷猎嚰谋Ｗo(hù)層較薄，雖然強(qiáng)度增加導(dǎo)致其承受最大應(yīng)力增加，但是由于其骨架的存在，導(dǎo)致破壞前的變形有限，同時(shí)由于其骨架在破壞后有較好的可持續(xù)性塑性卸載功能，所以其卸載階段遠(yuǎn)長(zhǎng)于素混凝土試件。

而在動(dòng)態(tài)沖擊下的鋼筋混凝土試件則隨著沖擊速度的增加其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有著明顯增加，增加的原因在于隨著沖擊速度的增加，其試件在發(fā)生破壞時(shí)，砂漿內(nèi)部細(xì)微裂紋無法充分發(fā)育，從而導(dǎo)致應(yīng)力傳播到骨料上，從而使得骨料發(fā)生破壞，在對(duì)沖擊后的碎塊觀察可發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊速率的增加，發(fā)生破壞的骨料也明顯增多。

2.2 鋼筋混凝土與素混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度

以沖擊速率為11.9m/s 時(shí)為例（圖4），OA 作為加載階段，整個(gè)試件被整體壓縮協(xié)調(diào)變形；應(yīng)力驟降段AB，該階段應(yīng)力由峰值急劇下降，在AB 段開始產(chǎn)生細(xì)小裂紋，其主要發(fā)生在混凝土保護(hù)層位置，內(nèi)部部分受到鋼筋框架的保護(hù)而保持完整；BC 階段應(yīng)力的減少處于減緩階段，但是其應(yīng)變持續(xù)增加，BC 階段隨著外部裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，鋼筋及其內(nèi)部混凝土開始承受壓力，同時(shí)由于鋼筋材料的加入，BC 階段出現(xiàn)類似金屬材料的塑性曲線；CD 應(yīng)力加快衰減速度，但是其變化趨勢(shì)較為緩和，應(yīng)為鋼筋骨架仍起到部分緩沖作用，CD 段鋼筋及內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生破壞，且D點(diǎn)始終低于A 點(diǎn)。并且與素混凝土不同的是，透射波由于鋼筋的存在導(dǎo)致試件無法整體變形，鋼筋混凝土透射波均呈現(xiàn)較明顯的震蕩現(xiàn)象。

素混凝土及鋼筋混凝土沖擊壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線的峰后行為可分為三個(gè)階段，即應(yīng)力驟降段、應(yīng)力緩沖段及應(yīng)變軟化段。相比于素混凝土，鋼筋混凝土中鋼筋作用主要反映在應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰后行為。且二者的應(yīng)力應(yīng)變曲線與應(yīng)變率均呈現(xiàn)出相同的線性關(guān)系。

對(duì)于波形特征，與素混凝土不同，鋼筋混凝土試件在“外破壞”階段反射波均表現(xiàn)為明顯的單峰之后伴隨一段近似恒應(yīng)變率加載，且隨著加載速度增高，近似恒應(yīng)變率加載段也逐漸升高但低于第一峰峰值，波尾表現(xiàn)為明顯的“壓縮波”段；而隨著加載速率的增加，當(dāng)試件發(fā)生“內(nèi)破壞”及完全破壞時(shí)，第一峰仍然存在，但恒應(yīng)變率加載段逐漸升高，導(dǎo)致鋼筋混凝土波形特征也出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，而透射波的“壓縮波”段則逐漸減弱至消失。

鋼筋混凝土骨架形態(tài)對(duì)試件破壞后殘留形態(tài)有較大影響，兩者保持較好一致性，骨架能夠在一定程度上起到保護(hù)作用，在更高速率沖擊下能保持一定殘留。與素混凝土的破壞形式由龜裂到粉碎不同，鋼筋混凝土的破壞形式由外部破壞到完全破壞，而鋼筋混凝土在較低速率下發(fā)生與素混凝土截然不同的破壞形態(tài)，前者后端破壞更加嚴(yán)重，而后者則是前端破壞嚴(yán)重。鋼筋弱界面效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度降低，另一方面由于筋架具有較好的初性和變形能力，它對(duì)處于筋架內(nèi)的混凝土又有很好的保護(hù)作用。

3 結(jié)論

①鋼筋混凝土在靜態(tài)加壓時(shí)由于鋼筋的原因，其強(qiáng)度略有下降，但保持了較好的可持續(xù)性塑性卸載功能，能夠承受一段時(shí)間的持續(xù)卸載，且在動(dòng)態(tài)沖擊作用下其強(qiáng)度隨著沖擊速率的增加而增加。

②隨著加載速率升高，鋼筋混凝土反射波在第一“高峰”后由穩(wěn)定加載逐漸升高成第二“高峰”但低于第一“高峰”，且由于鋼筋的存在導(dǎo)致試件無法整體變形，鋼筋混凝土透射波均呈現(xiàn)較明顯的震蕩現(xiàn)象。

③與素混凝土的破壞形式不同，筋混凝土破壞后的碎塊形態(tài)與骨架形態(tài)有著較大關(guān)系在動(dòng)態(tài)沖擊作用下其破壞形式發(fā)生改變，低速率時(shí)其后端發(fā)生較為嚴(yán)重破壞，但總體破壞狀態(tài)與骨架構(gòu)型保持一致。