本發(fā)明屬于沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

混凝土是一種不均質(zhì)、各向異性的材料。因此，其拉伸模量不同于其壓縮模量。同時(shí)，混凝土具有率敏感性，許多大型的混凝土結(jié)構(gòu)工程不僅承受著變化還蠻的靜荷載作用，還要承受各種變化劇烈的動(dòng)荷載作用，混凝土在動(dòng)態(tài)條件下的力學(xué)性能顯著區(qū)別于靜態(tài)條件。

為了更好地評(píng)估混凝土動(dòng)態(tài)抗拉力學(xué)性能，有必要明確混凝土在高應(yīng)變率下的彈性模量。目前，除了直接拉伸試驗(yàn)外，對(duì)動(dòng)態(tài)條件下的混凝土拉伸模量測(cè)量還沒有更為便捷的方式。但是混凝土動(dòng)態(tài)直接拉伸試驗(yàn)成功率低，試驗(yàn)周期長(zhǎng)；劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單且成功率高，但現(xiàn)有劈拉計(jì)算方法主要集中于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)方法存在如下問題：動(dòng)態(tài)試驗(yàn)應(yīng)力波受接觸面介質(zhì)不同影響，應(yīng)力波多次反射后撞擊力難以計(jì)算；根據(jù)劈拉試件中心點(diǎn)處應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率得出的試件劈裂拉伸模量不等于其直接拉伸條件下的拉伸模量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種基于巴西圓盤試件的高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)裝置及方法。該方法基于霍普金森原理的基礎(chǔ)，是一種新的混凝土動(dòng)態(tài)劈裂拉伸力學(xué)性能研究的試驗(yàn)方法，可以測(cè)得混凝土在高應(yīng)變率條件下的拉伸模量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)裝置，包括氣室、子彈、支座、入射桿、透射桿，入射桿、透射桿放置于支座上，通過調(diào)整支座和氣室，使子彈、入射桿和透射桿中心對(duì)準(zhǔn)；入射桿沿桿長(zhǎng)方向在桿段尾段處黏貼有第一應(yīng)變片；透射桿桿段中心處沿桿長(zhǎng)方向黏貼有第二應(yīng)變片；巴西圓盤試件上底面中心處黏貼兩塊第三應(yīng)變片，第三應(yīng)變片方向垂直于受力方向，所述第二應(yīng)變片、第一應(yīng)變片與試件之間的距離相等；在試件與入射桿、透射桿接觸位置對(duì)稱放置有配合使用的剛性墊片與剛性墊桿，所述入射桿和透射桿的間距恰好使墊片、墊桿、巴西圓盤試件被夾持在入射桿和透射桿中心處；所述第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片與應(yīng)變儀橋路連接。在該技術(shù)方案中，設(shè)置的剛性墊片與剛性墊桿能夠保證荷載撞擊試件時(shí)能集中作用在圓盤兩端點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述入射桿端頭加設(shè)有整形片。整形片的設(shè)置能保證試件所受撞擊力不受二次反射應(yīng)力波影響，同時(shí)滿足加載應(yīng)變速率基本穩(wěn)定，方便對(duì)加載荷載進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)一步的，所述整形片采用直徑20mm、厚度2mm的紫銅片。

優(yōu)選的，所述剛性墊片上設(shè)有恰好容納剛性墊桿的缺口，所述剛性墊桿與試件直接接觸。

優(yōu)選的，所述子彈、入射桿和透射桿、墊片和墊桿均采用48CrMoA圓鋼材質(zhì)，其楊氏模量210GPa，密度7850kg/m³，波速5172m/s。

進(jìn)一步的，所述入射桿長(zhǎng)3200mm，直徑74mm，與子彈接觸的一端直徑漸變?yōu)?7mm；所述透射桿為長(zhǎng)1800mm，直徑74mm的細(xì)長(zhǎng)圓柱體；所述子彈直徑為37mm，長(zhǎng)度為600mm；所述墊片厚度為8mm，截面為直徑74mm的圓形；墊桿直徑為10mm，長(zhǎng)度為74mm。

一種高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

S1、放置并調(diào)整設(shè)備：將入射桿、透射桿放置于支座上，調(diào)整支座和氣室，保證子彈、入射桿和透射桿的中心對(duì)準(zhǔn)；

S2、黏貼應(yīng)變片：將第一應(yīng)變片黏貼在入射桿桿段尾段處，第一應(yīng)變片長(zhǎng)邊平行于桿長(zhǎng)方向；第二應(yīng)變片黏貼于透射桿桿段中心處，第二應(yīng)變片長(zhǎng)邊平行于桿長(zhǎng)方向并與第一應(yīng)變片保持在同一水平位置；第三應(yīng)變片共兩塊相對(duì)黏貼在試件中心處，上下底面各一塊，第三應(yīng)變片長(zhǎng)邊垂直于受力方向，如圖2所示；第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片尺寸相同；

S3、放置試件：將入射桿、墊片、墊桿、試件、墊桿、墊片、透射桿依次按序排列放置，調(diào)整入射桿和透射桿間距，使墊片、墊桿、試件剛好被夾持在入射桿和透射桿中心處；

S4、連接應(yīng)變儀：將第一、第二、第三應(yīng)變片與應(yīng)變儀橋路連接；

S5、取圓柱形圓盤試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給氣室加壓，對(duì)子彈加以一定的沖擊力，使其具有一定的撞擊速度來撞擊入射桿，產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波經(jīng)由桿件、墊片、墊桿，傳遞到試件8上使其發(fā)生劈裂；

S6、采集應(yīng)變片所記錄的數(shù)據(jù)，帶入公式進(jìn)行計(jì)算即可得到混凝土拉伸模量。

進(jìn)一步的，步驟S6中公式的計(jì)算方法為：

S61、當(dāng)子彈撞擊入射桿時(shí)，桿件內(nèi)部產(chǎn)生縱向的入射壓縮波，由于不同的阻抗，入射波在入射桿和試件接觸的界面處被部分反射回入射桿，基于三波法可得到：

P₁＝E(ε_i+ε_r)

P₂＝Eε_tr

其中，P₁為入射桿撞擊線荷載、P₂為透射桿支持線荷載，單位為N/m；E為入射桿楊氏模量，E＝210GPa；ε_i為入射桿應(yīng)變片所記錄的入射波最大應(yīng)變；ε_r為入射桿應(yīng)變片所記錄的反射波最大應(yīng)變，ε_tr為透射桿所記錄的透射波最大應(yīng)變；

S62、入射桿撞擊線荷載和透射桿支持線荷載之間的差值，主要受劈拉端頭對(duì)所造成的應(yīng)力波反射的影響，為了去除劈拉端頭對(duì)試件撞擊力計(jì)算的影響，試件實(shí)際所受撞擊力P：

S63、對(duì)試件應(yīng)力計(jì)算方法如下，取試件高度方向上任一橫截面，如圖5，截面任意位置處單元體應(yīng)力狀態(tài)如下：

其中，σ_r是單元體法向拉應(yīng)力，σ_θ是單元體切向拉應(yīng)力，τ_rθ是單元體切應(yīng)力，R是試件截面半徑，r,θ是極坐標(biāo)系下的單元體坐標(biāo)，α為應(yīng)力作用范圍所對(duì)應(yīng)的圓心角的一半，參考ISRM國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)規(guī)范，取2α＝10°；如圖6，經(jīng)過參數(shù)轉(zhuǎn)換，x,y為直角坐標(biāo)系下的單元體坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為應(yīng)變片中心點(diǎn)，應(yīng)變片中心線處，取y＝0時(shí)，即沿x軸方向上任意一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)如下：

τ_xy＝0

其中，l為試件厚度，l＝74mm；D為試件截面直徑也為74mm；

S64、試件中心應(yīng)變片測(cè)量值等于如下理論公式的計(jì)算值，因y軸方向上的壓應(yīng)力是x軸方向上拉應(yīng)力的兩倍，故因?yàn)椴此尚?yīng)引起的拉伸模量不可忽視；沿直徑水平方向上，應(yīng)變片范圍內(nèi)，第三應(yīng)變片測(cè)量的試件劈裂拉伸應(yīng)變量ε_t等于如下理論公式：

其中，L取應(yīng)變片長(zhǎng)度的一半，E_t為混凝土拉伸模量，v為試件泊松比；化簡(jiǎn)最終得出試件拉伸模量：

其中，劈裂拉伸模量E_s＝2P/πDlε_t由所測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線決定，其中應(yīng)力σ_t＝2P/πDl，取應(yīng)力應(yīng)變曲線線性段斜率，或者取E_s＝[(1/2)σ_t,max]/ε_t，其中σ_t,max/2取應(yīng)力應(yīng)變曲線中最大應(yīng)力的一半，ε_t則是達(dá)到最大應(yīng)力一半時(shí)所對(duì)應(yīng)拉伸應(yīng)變量。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明結(jié)合霍普金森原理和一維彈性波理論，通過在試驗(yàn)裝置中加設(shè)整形片和劈拉端頭(即墊片與墊桿)，整形片能保證試件所受撞擊力不受二次反射應(yīng)力波影響，同時(shí)滿足加載應(yīng)變速率基本穩(wěn)定，方便對(duì)加載荷載進(jìn)行計(jì)算；設(shè)置的剛性墊片與剛性墊桿能夠保證荷載撞擊試件時(shí)能集中作用在圓盤兩端點(diǎn)，避免應(yīng)力分散，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；能夠通過公式計(jì)算得出試件拉伸模量；從而能夠解決動(dòng)態(tài)劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)方法存在的：動(dòng)態(tài)試驗(yàn)應(yīng)力波受接觸面介質(zhì)不同影響，應(yīng)力波多次反射后撞擊力難以計(jì)算；根據(jù)劈拉試件中心點(diǎn)處應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率得出的試件劈裂拉伸模量不等于其直接拉伸條件下的拉伸模量的問題。并且建立了一種非常便捷、實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單且成功率高的混凝土高應(yīng)變率下拉伸模量的試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的試驗(yàn)方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)安裝示意圖。

圖2為圖1中入射桿端頭處的放大圖。

圖3為圖1中劈拉端頭(即墊片與墊桿)處的放大圖。

圖4為本發(fā)明中試件上第三應(yīng)變片的黏貼方式圖。

圖5為巴西圓盤試件中任意單元應(yīng)力狀態(tài)示意圖。

圖6為巴西圓盤試件中任意單元體的平面定位示意圖。

圖中標(biāo)注符號(hào)的含義如下：

1-氣室 2-子彈 3-支座 4-入射桿 5-第一應(yīng)變片

6-剛性墊片 7-第三應(yīng)變片 8-試件 9-透射桿 10-墊桿

11-第二應(yīng)變片 12-整形片

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)裝置

如圖1至3所示，包括氣室1、子彈2、支座3、入射桿4、透射桿9，入射桿4、透射桿9放置于支座3上，通過調(diào)整支座3和氣室1，使子彈2、入射桿4和透射桿9中心對(duì)準(zhǔn)；透射桿桿長(zhǎng)1800mm，透射桿9桿段中心處沿桿長(zhǎng)方向黏貼有第二應(yīng)變片11；入射桿4沿桿長(zhǎng)方向在距離桿段末端900mm處黏貼有第一應(yīng)變片5；巴西圓盤試件8中心處相對(duì)黏貼兩塊第三應(yīng)變片，第三應(yīng)變片7方向垂直于受力方向；所述第二應(yīng)變片11、第一應(yīng)變片5與試件8之間的距離相等；在試件與入射桿4和透射桿9接觸位置對(duì)稱放置有配合使用的剛性墊片6與剛性墊桿10，所述入射桿4和透射桿9的間距恰好使墊片6、墊桿10、試件8被夾持在入射桿4和透射桿9中心處；所述第一應(yīng)變片5、第二應(yīng)變片11、第三應(yīng)變片7與應(yīng)變儀橋路連接。第一應(yīng)變片5、第二應(yīng)變片11、第三應(yīng)變片7尺寸相同。

其中，所述入射桿端頭加設(shè)有整形片12；整形片采用直徑20mm、厚度2mm的紫銅片。

具體的，所述剛性墊片6上設(shè)有恰好容納剛性墊桿10的缺口，所述剛性墊桿10與試件8直接接觸；缺口為弧面缺口。

子彈2、入射桿4和透射桿9、墊片6和墊桿10均采用48CrMoA圓鋼材質(zhì)，其楊氏模量210GPa，密度7850kg/m³，波速5172m/s。

入射桿4長(zhǎng)3200mm，直徑74mm，與子彈2接觸的一端直徑漸變?yōu)?7mm；所述透射桿9為長(zhǎng)1800mm，直徑74mm的細(xì)長(zhǎng)圓柱體；所述子彈2直徑為37mm，長(zhǎng)度為600mm；所述墊片6厚度為8mm，截面為直徑74mm的圓形；墊桿10直徑為10mm，長(zhǎng)度為74mm。

一種高應(yīng)變率下混凝土拉伸模量的試驗(yàn)方法

包括如下步驟：

S1、放置并調(diào)整設(shè)備：將入射桿4、透射桿9放置于支座3上，調(diào)整支座3和氣室1，保證子彈2、入射桿4和透射桿9對(duì)中；

S2、黏貼應(yīng)變片：第一應(yīng)變片5黏貼在入射桿4沿桿長(zhǎng)方向距離桿段末端900mm處，第一應(yīng)變片5長(zhǎng)邊沿桿長(zhǎng)方向；第二應(yīng)變片11黏貼于透射桿9桿段中心處，第二應(yīng)變片11長(zhǎng)邊沿桿長(zhǎng)方向并與第一應(yīng)變片5保持在同一水平位置，第二應(yīng)變片11、第一應(yīng)變片5與試件8之間的距離相等；第三應(yīng)變片7共兩塊相對(duì)黏貼在試件8中心處(正反兩面各一塊)記錄參數(shù)，第三應(yīng)變片7長(zhǎng)邊垂直于受力方向，如圖4所示；第一應(yīng)變片5、第二應(yīng)變片11、第三應(yīng)變片7尺寸相同；

S3、放置試件：將入射桿4、墊片6、墊桿10、試件8、墊桿10、墊片6、透射桿9依次按序排列放置，調(diào)整入射桿4和透射桿9間距，使墊片、墊桿、試件剛好被夾持在入射桿4和透射桿9中心處；

S4、連接應(yīng)變儀；將上述所有的應(yīng)變片與應(yīng)變儀橋路連接；

S5、該實(shí)驗(yàn)中，取圓柱形圓盤試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給氣室1加壓，對(duì)子彈2加以一定的沖擊力，使其具有一定的撞擊速度來撞擊入射桿4，產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波經(jīng)由桿件4、墊片6、墊桿10，傳遞到試件8上使其發(fā)生劈裂；

S6、采集應(yīng)變片所記錄的數(shù)據(jù)，帶入公式進(jìn)行計(jì)算即可得到高應(yīng)變率下的混凝土拉伸模量。

其中，步驟S6中公式的計(jì)算方法為：

S61、當(dāng)子彈撞擊入射桿時(shí)，桿件內(nèi)部產(chǎn)生縱向的入射壓縮波，由于不同的阻抗，入射波在入射桿和試件接觸的界面處被部分反射回入射桿，基于三波法可得到：

P₁＝E(ε_i+ε_r)

P₂＝Eε_tr

其中，P₁為入射桿撞擊線荷載、P₂為透射桿支持線荷載，單位為N/m；E為入射桿楊氏模量，E＝210GPa；ε_i為入射桿應(yīng)變片所記錄的入射波最大應(yīng)變；ε_r為入射桿應(yīng)變片所記錄的反射波最大應(yīng)變，ε_tr為透射桿所記錄的透射波最大應(yīng)變；

S62、入射桿撞擊線荷載和透射桿支持線荷載之間的差值，主要受劈拉端頭對(duì)所造成的應(yīng)力波反射的影響，為了去除劈拉端頭對(duì)試件撞擊力計(jì)算的影響，試件實(shí)際所受撞擊力P：

S63、對(duì)試件應(yīng)力計(jì)算方法如下，取試件高度方向上任一橫截面，如圖5所示，截面任意位置處單元體應(yīng)力狀態(tài)如下：

其中，σ_r是單元體法向拉應(yīng)力，σ_θ是單元體切向拉應(yīng)力，τ_rθ是單元體切應(yīng)力，R是試件截面半徑，r,θ是極坐標(biāo)系下的單元體坐標(biāo)，α為應(yīng)力作用范圍所對(duì)應(yīng)的圓心角的一半，參考ISRM國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)規(guī)范，取2α＝10°；如圖6，經(jīng)過參數(shù)轉(zhuǎn)換，x,y為直角坐標(biāo)系下的單元體坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為應(yīng)變片中心點(diǎn)，應(yīng)變片中心線處，取y＝0時(shí)，即沿x軸方向上任意一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)如下：

τ_xy＝0

其中，σ_x是單元體x軸方向拉應(yīng)力，σ_y是單元體y軸方向拉應(yīng)力，τ_xy是單元體切應(yīng)力，l為試件厚度，l＝74mm；D為試件截面直徑同為74mm；

S64、試件中心應(yīng)變片測(cè)量值應(yīng)等于如下理論計(jì)算公式，因y軸方向上的壓應(yīng)力是x軸方向上拉應(yīng)力的兩倍，故因?yàn)椴此尚?yīng)引起的拉伸模量不可忽視；沿直徑水平即圖4中AB方向上，應(yīng)變片范圍內(nèi)，第三應(yīng)變片測(cè)量的試件劈裂拉伸應(yīng)變量ε_t等于如下理論公式：

其中，L取應(yīng)變片長(zhǎng)度的一半，E_t為混凝土拉伸模量，v為試件泊松比；化簡(jiǎn)最終得出試件拉伸彈性模量：

劈裂拉伸模量E_s＝2P/πDlε_t由所測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線決定，其中應(yīng)力σ_t＝2P/πDl，取應(yīng)力應(yīng)變曲線線性段斜率；或者，取E_s＝[(1/2)σ_t,max]/ε_t，其中σ_t,max/2取應(yīng)力應(yīng)變曲線中最大應(yīng)力的一半，ε_t則是應(yīng)力達(dá)到最大應(yīng)力一半時(shí)所對(duì)應(yīng)拉伸應(yīng)變量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。