基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及混凝土轴动态拉伸断裂试验方法，特别是涉及一种基于霍普金森原理 的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法。
【背景技术】
[0002] 在当前工程界以及力学界，对于非均质、多向性材料的性能研宄已经成为了一大 热点，其中，对混凝土结构的研宄尤其受到广泛关注。在自然环境中，混凝土结构除了受到 静荷载以外，台风、地震等自然灾害以及车祸等交通事故也往往对混凝土结构产生冲击荷 载，使混凝土以高应变率变形，从而产生与平时静态情况下不一样的性能。
[0003] 对于混凝土结构的动态拉伸断裂破坏，由于一维应变条件下的动态拉伸断裂方法 是一种最简单、最重要的试验方法，而且在试验操作和理论分析上都比较容易实现，所以， 人们始终把一维应变条件下混凝土结构的动态轴心拉断裂试验作为该领域中的主要内容 进行研宄。
[0004] 专利CN200910096004. 3,公开了一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方 法，该方法利用霍普金森压杆对试件施加冲击力，在霍普金森压杆与混凝土试件阻抗接近 的情况下，以入射杆中的应力波代替试件的应力波，并通过控制试件的长度使拉伸断裂近 似发生在试件中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化，并通过入射杆上的应变片测 量计算入射杆应变，将其近似看作混凝土试件断裂时的应变，最终得出混凝土的动态抗拉 强度。该试验方法的缺陷在于，将混凝土试件和霍普金森压杆阻抗看作相同，且断裂位置仅 在试件中部，适用范围小，试验具有很大的局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题是提供一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸 断裂试验方法，不局限于试件和霍普金森压杆阻抗近似相同的理想化情况，不必控制断裂 处位于试件中部依然可以计算出试件断裂处的应力大小，适用范围广，试验可行性好。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，采用霍普金森压杆 进行混凝土轴的动态拉伸断裂试验，包括混凝土轴试件、入射杆、子弹，数据采集仪，所述的 入射杆的撞击面与所述的子弹的截面直径相等；所述的试件距离撞击端处上设置有数对应 变片；试验时，将所述的入射杆一端的垂直端面与所述的试件一端的垂直端面紧密结合； 所述的数据采集仪记录试件中传导的入射波、透射波以及反射波；所述的子弹以一定的冲 击力和撞击速度来撞击所述的入射杆，所产生的冲击波传递到所述的试件上使其发生拉伸 断裂，其特征在于：该试验方法包括以下计算过程： Δχ
[0008] (1)首先求出试验中得到波的传播速度〃 =I并由此推导出动态弹性模量Ed = P C2；
[0009] (2)通过所述应变片测得的波形图，运用一维弹性波理论先求出位移：u(x，t)= f (X-Ct)+g (x+ct)，接着导出应变量 〇/& = ./+'(X-+ + Cl),再将应变量 乘以动态弹性模量：0(x,t)=E[f (x-ct)+g< (x+ct)]，最终计算出所述各应变片所在 位置的应力值σ，
[0010] 其中，U为位移，t为时间，X为沿波速方向的坐标，c为波速，f为X正向波，g为X 负向波，E为动态弹性模量；
[0011] (3)通过公式《 = -计算应力波衰减系数，此等式积分后可化为σ = σ αχ σ 从而得到应力衰减公式；通过测量第一处拉伸断裂处的位置测得X，进而通过上述 公式计算出断裂处的应力值；
[0012] (4)通过公式力=|得出断裂处的平均应变率，其中，?为平均应变率，〇s为在 断裂位置的最大拉伸波，Ed为动态弹模，△ t为在试件上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻 经历的时间。
[0013] 所述的子弹由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。
[0014] 所述的入射杆由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。
[0015] 所述的子弹在一个加压气枪的冲击下，以9m/s的撞击速度来撞击所述的入射杆。
[0016] 所述的入射杆的尺寸为：长3200mm，垂直面一端直径为74mm，撞击面一端的直径 为 37mm〇
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0018] 该发明不局限于试件和霍普金森压杆入射杆阻抗近似相同的理想化情况，适用范 围更为广泛，同时考虑了波在混凝土中的分散和衰减，运用应力衰减公式可以求出试件任 意位置的应力的大小，因此不必控制断裂处位于试件中部依然可以计算出试件断裂处的应 力大小，由此推算出混凝土的轴心抗拉强度以及应变率，计算结果更为精确。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明所述试验方法的流程图。
[0020] 图2是本发明所述试验方法中子弹、入射杆和试件安装示意图。其中，10混凝土试 件，11试件自由端，20入射杆，30子弹，40应变片，50桥盒，60数据采集仪。
[0021] 图3是本发明所述试验方法中的波在试件内部衰减形式图。
[0022] 图4是本发明所述的试件自由端附近轴拉应力分布图。
[0023] 图5是本发明所述的试件所受应力与试件截面位置关系的示意图，At为在试件 上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻经历的时间。
【具体实施方式】：
[0024] 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0025] 一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，如图1所示，采用 霍普金森压杆进行混凝土轴的动态拉伸断裂试验，包括混凝土轴试件（10)、入射杆（20)、 子弹（30)，数据采集仪（60)，所述的入射杆（20)的撞击面与所述的子弹（30)的截面直径 相等；所述的试件（10)距离撞击端处上设置有数对应变片（40);所述的各对应变片（40) 分别与一个桥盒（50)相串联；试验时，将所述的入射杆（20) -端的垂直端面与所述的试 件（10) -端的垂直端面紧密结合；所述的数据采集仪（60)记录试件（10)中传导的入射 波、透射波以及反射波；所述的子弹（30)以一定的冲击力和撞击速度来撞击所述的入射杆 (20)，所产生的冲击波传递到所述的试件（10)上使其发生拉伸断裂，其特征在于：该试验 方法包括以下计算过程： Δχ
[0026] (1)首先求出试验中得到波的传播速度并由此推导出动态弹性模量Ed = P C2；
[0027] (2)通过所述应变片（40)测得的波形图，运用一维弹性波理论先求出位移： U (X，t) = f (X-Ct) +g (x