高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置及方法与流程

本发明属于冲击动力学技术领域，具体涉及一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置及方法。

背景技术：

混凝土是一种不均质、各向异性的材料。因此，其拉伸模量不同于其压缩模量。同时，混凝土具有率敏感性，许多大型的混凝土结构工程不仅承受着变化还蛮的静荷载作用，还要承受各种变化剧烈的动荷载作用，混凝土在动态条件下的力学性能显著区别于静态条件。

为了更好地评估混凝土动态抗拉力学性能，有必要明确混凝土在高应变率下的弹性模量。目前，除了直接拉伸试验外，对动态条件下的混凝土拉伸模量测量还没有更为便捷的方式。但是混凝土动态直接拉伸试验成功率低，试验周期长；劈裂拉伸实验相对简单且成功率高，但现有劈拉计算方法主要集中于静态实验，动态劈裂拉伸实验方法存在如下问题：动态试验应力波受接触面介质不同影响，应力波多次反射后撞击力难以计算；根据劈拉试件中心点处应力应变曲线斜率得出的试件劈裂拉伸模量不等于其直接拉伸条件下的拉伸模量。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于巴西圆盘试件的高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置及方法。该方法基于霍普金森原理的基础，是一种新的混凝土动态劈裂拉伸力学性能研究的试验方法，可以测得混凝土在高应变率条件下的拉伸模量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置，包括气室、子弹、支座、入射杆、透射杆，入射杆、透射杆放置于支座上，通过调整支座和气室，使子弹、入射杆和透射杆中心对准；入射杆沿杆长方向在杆段尾段处黏贴有第一应变片；透射杆杆段中心处沿杆长方向黏贴有第二应变片；巴西圆盘试件上底面中心处黏贴两块第三应变片，第三应变片方向垂直于受力方向，所述第二应变片、第一应变片与试件之间的距离相等；在试件与入射杆、透射杆接触位置对称放置有配合使用的刚性垫片与刚性垫杆，所述入射杆和透射杆的间距恰好使垫片、垫杆、巴西圆盘试件被夹持在入射杆和透射杆中心处；所述第一应变片、第二应变片、第三应变片与应变仪桥路连接。在该技术方案中，设置的刚性垫片与刚性垫杆能够保证荷载撞击试件时能集中作用在圆盘两端点。

优选地，所述入射杆端头加设有整形片。整形片的设置能保证试件所受撞击力不受二次反射应力波影响，同时满足加载应变速率基本稳定，方便对加载荷载进行计算。

进一步的，所述整形片采用直径20mm、厚度2mm的紫铜片。

优选的，所述刚性垫片上设有恰好容纳刚性垫杆的缺口，所述刚性垫杆与试件直接接触。

优选的，所述子弹、入射杆和透射杆、垫片和垫杆均采用48CrMoA圆钢材质，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m³，波速5172m/s。

进一步的，所述入射杆长3200mm，直径74mm，与子弹接触的一端直径渐变为37mm；所述透射杆为长1800mm，直径74mm的细长圆柱体；所述子弹直径为37mm，长度为600mm；所述垫片厚度为8mm，截面为直径74mm的圆形；垫杆直径为10mm，长度为74mm。

一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验方法，包括如下步骤：

S1、放置并调整设备：将入射杆、透射杆放置于支座上，调整支座和气室，保证子弹、入射杆和透射杆的中心对准；

S2、黏贴应变片：将第一应变片黏贴在入射杆杆段尾段处，第一应变片长边平行于杆长方向；第二应变片黏贴于透射杆杆段中心处，第二应变片长边平行于杆长方向并与第一应变片保持在同一水平位置；第三应变片共两块相对黏贴在试件中心处，上下底面各一块，第三应变片长边垂直于受力方向，如图2所示；第一应变片、第二应变片、第三应变片尺寸相同；

S3、放置试件：将入射杆、垫片、垫杆、试件、垫杆、垫片、透射杆依次按序排列放置，调整入射杆和透射杆间距，使垫片、垫杆、试件刚好被夹持在入射杆和透射杆中心处；

S4、连接应变仪：将第一、第二、第三应变片与应变仪桥路连接；

S5、取圆柱形圆盘试件进行实验，给气室加压，对子弹加以一定的冲击力，使其具有一定的撞击速度来撞击入射杆，产生应力波，应力波经由杆件、垫片、垫杆，传递到试件8上使其发生劈裂；

S6、采集应变片所记录的数据，带入公式进行计算即可得到混凝土拉伸模量。

进一步的，步骤S6中公式的计算方法为：

S61、当子弹撞击入射杆时，杆件内部产生纵向的入射压缩波，由于不同的阻抗，入射波在入射杆和试件接触的界面处被部分反射回入射杆，基于三波法可得到：

P₁＝E(ε_i+ε_r)

P₂＝Eε_tr

其中，P₁为入射杆撞击线荷载、P₂为透射杆支持线荷载，单位为N/m；E为入射杆杨氏模量，E＝210GPa；ε_i为入射杆应变片所记录的入射波最大应变；ε_r为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ε_tr为透射杆所记录的透射波最大应变；

S62、入射杆撞击线荷载和透射杆支持线荷载之间的差值，主要受劈拉端头对所造成的应力波反射的影响，为了去除劈拉端头对试件撞击力计算的影响，试件实际所受撞击力P：

S63、对试件应力计算方法如下，取试件高度方向上任一横截面，如图5，截面任意位置处单元体应力状态如下：

其中，σ_r是单元体法向拉应力，σ_θ是单元体切向拉应力，τ_rθ是单元体切应力，R是试件截面半径，r,θ是极坐标系下的单元体坐标，α为应力作用范围所对应的圆心角的一半，参考ISRM国际岩石力学学会试验规范，取2α＝10°；如图6，经过参数转换，x,y为直角坐标系下的单元体坐标，坐标原点为应变片中心点，应变片中心线处，取y＝0时，即沿x轴方向上任意一点应力状态如下：

τ_xy＝0

其中，l为试件厚度，l＝74mm；D为试件截面直径也为74mm；

S64、试件中心应变片测量值等于如下理论公式的计算值，因y轴方向上的压应力是x轴方向上拉应力的两倍，故因为泊松效应引起的拉伸模量不可忽视；沿直径水平方向上，应变片范围内，第三应变片测量的试件劈裂拉伸应变量ε_t等于如下理论公式：

其中，L取应变片长度的一半，E_t为混凝土拉伸模量，v为试件泊松比；化简最终得出试件拉伸模量：

其中，劈裂拉伸模量E_s＝2P/πDlε_t由所测应力应变曲线决定，其中应力σ_t＝2P/πDl，取应力应变曲线线性段斜率，或者取E_s＝[(1/2)σ_t,max]/ε_t，其中σ_t,max/2取应力应变曲线中最大应力的一半，ε_t则是达到最大应力一半时所对应拉伸应变量。

本发明的有益效果在于：

本发明结合霍普金森原理和一维弹性波理论，通过在试验装置中加设整形片和劈拉端头(即垫片与垫杆)，整形片能保证试件所受撞击力不受二次反射应力波影响，同时满足加载应变速率基本稳定，方便对加载荷载进行计算；设置的刚性垫片与刚性垫杆能够保证荷载撞击试件时能集中作用在圆盘两端点，避免应力分散，提高实验的准确性；能够通过公式计算得出试件拉伸模量；从而能够解决动态劈裂拉伸实验方法存在的：动态试验应力波受接触面介质不同影响，应力波多次反射后撞击力难以计算；根据劈拉试件中心点处应力应变曲线斜率得出的试件劈裂拉伸模量不等于其直接拉伸条件下的拉伸模量的问题。并且建立了一种非常便捷、实验相对简单且成功率高的混凝土高应变率下拉伸模量的试验装置及相应的试验方法。

附图说明

图1为本发明的结构安装示意图。

图2为图1中入射杆端头处的放大图。

图3为图1中劈拉端头(即垫片与垫杆)处的放大图。

图4为本发明中试件上第三应变片的黏贴方式图。

图5为巴西圆盘试件中任意单元应力状态示意图。

图6为巴西圆盘试件中任意单元体的平面定位示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-气室 2-子弹 3-支座 4-入射杆 5-第一应变片

6-刚性垫片 7-第三应变片 8-试件 9-透射杆 10-垫杆

11-第二应变片 12-整形片

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置

如图1至3所示，包括气室1、子弹2、支座3、入射杆4、透射杆9，入射杆4、透射杆9放置于支座3上，通过调整支座3和气室1，使子弹2、入射杆4和透射杆9中心对准；透射杆杆长1800mm，透射杆9杆段中心处沿杆长方向黏贴有第二应变片11；入射杆4沿杆长方向在距离杆段末端900mm处黏贴有第一应变片5；巴西圆盘试件8中心处相对黏贴两块第三应变片，第三应变片7方向垂直于受力方向；所述第二应变片11、第一应变片5与试件8之间的距离相等；在试件与入射杆4和透射杆9接触位置对称放置有配合使用的刚性垫片6与刚性垫杆10，所述入射杆4和透射杆9的间距恰好使垫片6、垫杆10、试件8被夹持在入射杆4和透射杆9中心处；所述第一应变片5、第二应变片11、第三应变片7与应变仪桥路连接。第一应变片5、第二应变片11、第三应变片7尺寸相同。

其中，所述入射杆端头加设有整形片12；整形片采用直径20mm、厚度2mm的紫铜片。

具体的，所述刚性垫片6上设有恰好容纳刚性垫杆10的缺口，所述刚性垫杆10与试件8直接接触；缺口为弧面缺口。

子弹2、入射杆4和透射杆9、垫片6和垫杆10均采用48CrMoA圆钢材质，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m³，波速5172m/s。

入射杆4长3200mm，直径74mm，与子弹2接触的一端直径渐变为37mm；所述透射杆9为长1800mm，直径74mm的细长圆柱体；所述子弹2直径为37mm，长度为600mm；所述垫片6厚度为8mm，截面为直径74mm的圆形；垫杆10直径为10mm，长度为74mm。

一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验方法

包括如下步骤：

S1、放置并调整设备：将入射杆4、透射杆9放置于支座3上，调整支座3和气室1，保证子弹2、入射杆4和透射杆9对中；

S2、黏贴应变片：第一应变片5黏贴在入射杆4沿杆长方向距离杆段末端900mm处，第一应变片5长边沿杆长方向；第二应变片11黏贴于透射杆9杆段中心处，第二应变片11长边沿杆长方向并与第一应变片5保持在同一水平位置，第二应变片11、第一应变片5与试件8之间的距离相等；第三应变片7共两块相对黏贴在试件8中心处(正反两面各一块)记录参数，第三应变片7长边垂直于受力方向，如图4所示；第一应变片5、第二应变片11、第三应变片7尺寸相同；

S3、放置试件：将入射杆4、垫片6、垫杆10、试件8、垫杆10、垫片6、透射杆9依次按序排列放置，调整入射杆4和透射杆9间距，使垫片、垫杆、试件刚好被夹持在入射杆4和透射杆9中心处；

S4、连接应变仪；将上述所有的应变片与应变仪桥路连接；

S5、该实验中，取圆柱形圆盘试件进行实验，给气室1加压，对子弹2加以一定的冲击力，使其具有一定的撞击速度来撞击入射杆4，产生应力波，应力波经由杆件4、垫片6、垫杆10，传递到试件8上使其发生劈裂；

S6、采集应变片所记录的数据，带入公式进行计算即可得到高应变率下的混凝土拉伸模量。

其中，步骤S6中公式的计算方法为：

S61、当子弹撞击入射杆时，杆件内部产生纵向的入射压缩波，由于不同的阻抗，入射波在入射杆和试件接触的界面处被部分反射回入射杆，基于三波法可得到：

P₁＝E(ε_i+ε_r)

P₂＝Eε_tr

其中，P₁为入射杆撞击线荷载、P₂为透射杆支持线荷载，单位为N/m；E为入射杆杨氏模量，E＝210GPa；ε_i为入射杆应变片所记录的入射波最大应变；ε_r为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ε_tr为透射杆所记录的透射波最大应变；

S62、入射杆撞击线荷载和透射杆支持线荷载之间的差值，主要受劈拉端头对所造成的应力波反射的影响，为了去除劈拉端头对试件撞击力计算的影响，试件实际所受撞击力P：

S63、对试件应力计算方法如下，取试件高度方向上任一横截面，如图5所示，截面任意位置处单元体应力状态如下：

其中，σ_r是单元体法向拉应力，σ_θ是单元体切向拉应力，τ_rθ是单元体切应力，R是试件截面半径，r,θ是极坐标系下的单元体坐标，α为应力作用范围所对应的圆心角的一半，参考ISRM国际岩石力学学会试验规范，取2α＝10°；如图6，经过参数转换，x,y为直角坐标系下的单元体坐标，坐标原点为应变片中心点，应变片中心线处，取y＝0时，即沿x轴方向上任意一点应力状态如下：

τ_xy＝0

其中，σ_x是单元体x轴方向拉应力，σ_y是单元体y轴方向拉应力，τ_xy是单元体切应力，l为试件厚度，l＝74mm；D为试件截面直径同为74mm；

S64、试件中心应变片测量值应等于如下理论计算公式，因y轴方向上的压应力是x轴方向上拉应力的两倍，故因为泊松效应引起的拉伸模量不可忽视；沿直径水平即图4中AB方向上，应变片范围内，第三应变片测量的试件劈裂拉伸应变量ε_t等于如下理论公式：

其中，L取应变片长度的一半，E_t为混凝土拉伸模量，v为试件泊松比；化简最终得出试件拉伸弹性模量：

劈裂拉伸模量E_s＝2P/πDlε_t由所测应力应变曲线决定，其中应力σ_t＝2P/πDl，取应力应变曲线线性段斜率；或者，取E_s＝[(1/2)σ_t,max]/ε_t，其中σ_t,max/2取应力应变曲线中最大应力的一半，ε_t则是应力达到最大应力一半时所对应拉伸应变量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。