鋼纖維‐鋼筋混凝土在低速沖擊作用下的受力環境研究

秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務學院 江蘇 徐州 221000)

鋼纖維‐鋼筋混凝土在低速沖擊作用下的受力環境研究

秦 菱 張 超 武 爽

(空軍勤務學院 江蘇 徐州 221000)

通過分析不同沖擊作用類型下結構的受力環境特點，得出低速沖擊作用與其他沖擊效應的不同之處，并進一步分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速沖擊的主要影響因素，為后續展開不同因素影響下結構性能的試驗研究和數值模擬提供參考。

鋼纖維-鋼筋混凝土；低速沖擊；受力環境；影響因素

引言

鋼纖維-鋼筋混凝土因為融合了鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土的特點，使其具有優良的抗拉性能和韌性，獲得了國防工程和民用防護工程領域的青睞。但是其在低速沖擊作用下有別于在高速侵徹和爆炸作用下性能表現，分析研究鋼纖維-鋼筋混凝土在低速沖擊作用下的受力環境有助于擴展此新型結構的應用和研究。

1 沖擊破壞的類型分析

1.1 爆炸沖擊效應

爆炸沖擊一般指帶有爆炸功能戰斗部的炮彈在直接命中防護結構后達到一定侵徹深度后發生爆炸的高速破壞現象。因為在爆炸之前發生了一定程度的侵徹，所有爆炸的局部破壞相似于侵徹破壞：炸點附近的巖土或混凝土等防護材料由于爆炸力的沖擊產生空洞狀的破碎和分離，此為爆炸漏斗或爆炸空腔，此范圍內的防護材料發生開裂；炸點下方即結構背面的材料發生開裂、飛散和剝離等現象，形成爆炸震塌。爆炸能量經結構自身傳遞到整個結構，從而形成整體振動、發生彎曲或剪切變形破壞。

爆炸波的作用處理引起結構的整體振動外，還在結構的材料內傳播應力波，經研究，只要結構具有一定的厚度，結構材料具有一定的剛性，以梁為例，其高跨比小于1/4（地面結構）或1/8（土中結構），即淺梁，計算時完全可以忽略結構材料中的波動過程[1]。

1.2 侵徹沖擊效應

侵徹沖擊一般指包括精確制導武器在內的炮彈、炸彈彈頭直接沖擊防護結構并侵入到結構中去，其運動速度一般達到甚至超過因此具有巨大的動能。彈頭的動能一方面消耗在彈殼的變形上，另一方面消耗在靶體材料，包括土壤、巖石等防護材料以及鋼筋混凝土、鋼纖維-鋼筋混凝土等防護結構材料的變形和破壞上，同時產生熱量。巖土和混凝土材料在彈著點附近發生分離和破碎，形成比彈頭直徑稍大的空洞，在空洞附近的材料中則產生裂縫。上述效應稱為侵徹，形成的空洞稱為侵徹漏斗坑。當靶材厚度不大時，沖擊可能在正面形成變形、破壞的同時，在目標沖擊點下方的背面發生開裂和材料的剝離和飛散，這種現象稱為震塌。一般來說，彈頭的高速動能主要被上述發生在彈著點附近的材料變形和破壞作用消耗掉，故稱為侵徹局部作用，較小部分的能量則傳輸給防護結構的整體系統。

1.3 低速沖擊效應

事故型的偶然撞擊效應是典型的低速沖擊效應，常發生在各種建筑工程領域，包括核反應堆防護殼需要考慮空難事故中飛機的墜落，其墜落重量可達數十噸乃至上百噸，其撞擊速度可達 250～300 /m s；工業建筑中偶然爆炸事故以后上層結構破壞后構件飛散和墜落的撞擊，飛散速度可達 100 /m s，墜落速度可達15～20 /m s；海岸和河岸水工結構的平臺下部以及橋梁的橋墩可遭遇到艦、船的撞擊，其重量可達數十噸，速度可達30 /m s；其他還包括裝配式建筑結構中裝配過程中偶然的構件撞擊等。上述撞擊效應區別于武器侵徹效應的是撞擊速度一般為中、低速，個別可達到高速，但也小于300 /m s[2]。

2 影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗沖擊性能的因素

2.1 縱向鋼筋

縱向抗彎鋼筋是鋼筋混凝土板抵抗結構沖擊變形和受拉的主要材料，屈服強度yf和配筋率ρ被業界普遍認為是影響鋼筋混凝土板抗沖切承載力主要指標。鋼筋混凝土板的配筋率在某一范圍內與板的抗沖切性能成正比，但是超過這一限度（一般認為是2%）則不再提升其抗沖切能力。

配筋形式是除了鋼筋配筋率外對裂縫發展有影響的因素，比如梁受沖擊之后進入塑性階段，配置光圓縱向鋼筋可形成一個法向和兩個傾斜的三個塑性鉸；配置縱向螺紋鋼筋會形成兩個傾斜塑性鉸和塑性區；配置密排橫向鋼筋，當箍筋間距很小時，傾斜裂縫難以發展，不易形成傾斜塑性鉸，只能形成法向塑性鉸和法向塑性區，變形主要集中在法向斷面。

2.2 基體混凝土強度

影響基體混凝土強度的因素有：配合比，混凝土制作方法，外加劑的使用，攪拌工藝和養護條件等。現行的強度公式是建立在大量試驗的基礎，混凝土強度設計需要滿足相應的抗拉強度、抗壓強度、和易性指標和工藝要求。混凝土強度cf、tf是表征混凝土抗沖切承載力的主要指標，混凝土的強度與板的承載力大小成正比關系。

普通混凝土配合比分為六個步驟，每個步驟均是影響基體混凝土強度的因素。首先根據混凝土的強度和耐久性要求確定水膠比并進行似配制；然后根據所需坍落度的要求計算單位用水量；估算砂率并計算初步配合比；最后根據拌合物實際狀態調整配合比并進行校核。混凝土配合比設計還需結合最終拌合物的特性以及混凝土硬化后的強度特點進行調配。

2.3 鋼纖維

除了基體素混凝土的強度，影響鋼纖維混凝土強度的因素還有：鋼纖維體積率，鋼纖維的制作方法與材質，鋼纖維-基體界面粘結性能等。依據現行的《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》中對強度計算的規定，鋼纖維混凝土的制備強度主要考慮基體混凝土強度、鋼纖維含量和鋼纖維類型三方面因素。

鋼纖維-鋼筋混凝土板的抗沖切極限承載力和延性與鋼纖維摻量成正比，但是必須在一定范圍內，一般是在 0.5%～3.0%范圍內。結構的抗沖切能力在超出此范圍后將不隨鋼纖維摻量增加和增加，如圖 2所示。鋼纖維類型也是影響其抗拉性能的一個因素，在做鋼纖維混凝土的靜態抗壓、抗彎試驗時，鋼纖維按增韌作用強弱依次為：弓形＞平直形＞波紋形＞壓棱形。而后三種鋼纖維的增韌效果差異主要由纖維長徑比決定，強弱順序與長徑比從大到小的排序相同，鋼纖維形狀的影響并不顯著。在進行抗沖擊試驗時，不同形狀鋼纖維在不同應變率情況下的增強作用有所差異：波紋形鋼纖維在低、中應變率條件下對試驗值有明顯提升作用，但是其增強效果在高應變率情況下相對減弱；弓形鋼纖維在三種應變率情況下增強效果均比較穩定，特別是在高應變率條件下，其增幅達到33%。值大量試驗表明：低速沖擊作用下結構整體變形程度明顯多于高速沖擊作用，盡管低速沖擊作用下值較大）同樣發生類似于高速沖擊作用的局部破壞現象，可是多數情況下裂縫群h 的發展主要集中在鋼纖維-鋼筋混凝土板背沖擊面d1＞ d區域內，并且此時結構的邊界支承條件不對裂縫發展產生影響，因為消耗在局部破壞的沖擊動能較高速沖擊已經減弱。在相同條件下，增大值可以使結構在低速沖擊作用下的破壞更多地轉化為整體破壞。h

低速大徑厚比的事故型沖擊雖然也發生類似高速彈體沖擊侵徹作用的局部破壞，但是因為侵徹程度很小（徑厚比在計算侵徹深度時如果運用高速沖擊作用公式，計算結果與試驗結果比較誤差達8～9倍，在計算震塌與貫穿厚度時如果運用高速沖擊作用公式，計算結果誤差同樣很大。究其原因是因為當值偏大時，基本不發生v ＜ 75 m/sh ≈ h侵徹作用而只有壓入作用，貫穿帶有動力沖切的特性，當0，且ps，發生純貫穿，因此值影響鋼纖維-鋼筋混凝土板受整體破壞和局部破壞的程度。

3 結語

1.分析歸納了沖擊作用的三種類型及其相應的特點，重點說明了構件在低速沖擊環境下的特點。

2.分析了影響鋼纖維-鋼筋混凝土抗低速沖擊作用的主要因素，得出了縱向鋼筋、混凝土基體強度、鋼纖維分別對其抗沖擊特性的影響。

[1]錢七虎,王明洋.高等防護結構計算理論[M].江蘇南京:江蘇科學技術出版社,2009.

[2]王明洋,宋春明,王德榮等.鋼筋混凝土板在低速沖擊下的計算方法[J].兵工學報,2004,25(6):672-678.

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1007-6344（2015）09-0053-01