砂漿板沖擊破壞試驗研究

第一作者顧培英女，教授級高級工程師，1968年4月生

砂漿板沖擊破壞試驗研究

顧培英1,2，鄧昌1,2，章道生1，湯雷1,2，王建1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京210029； 2.水利部 水科學(xué)與水工程重點實驗室，南京210029)

摘要：通過錘擊、均勻沖擊荷載試驗，采用逐級遞增循環(huán)沖擊加載方式，研究沖擊荷載下砂漿板的破壞特征及沖擊力、沖擊能與最大加速度響應(yīng)間關(guān)系。試驗表明，二種沖擊作用均使砂漿板跨中區(qū)域出現(xiàn)貫穿裂縫，呈脆性劈裂破壞形態(tài)，均勻沖擊作用下破壞位置與跨中有一定偏移；錘擊力時程經(jīng)歷主沖擊、次沖擊、卸載三階段，加速度響應(yīng)隨錘擊力增加而增加，裂縫貫穿后沖擊力、加速度響應(yīng)大幅減小；均勻沖擊下加速度有二組響應(yīng)區(qū)，響應(yīng)隨沖擊能增加而增加，當(dāng)沖擊能達(dá)一定程度時響應(yīng)大幅減??；繼續(xù)增加沖擊能，響應(yīng)又會增加，并較快發(fā)生劈裂破壞，響應(yīng)大幅減??；支座螺栓松動能緩沖部分沖擊作用。

關(guān)鍵詞：沖擊荷載；振動；破壞；砂漿板

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-03-10

中圖分類號:TV32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51075288)

Damage tests for a cement mortar plate under shock load

GUPei-ying1,2,DENGChang1,2,ZHANGDao-sheng1,TANGLei1,2,WANGJian1,2(1.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Key laboratory of Water Science and Engineering, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China)

Abstract:Hammering and uniform shock tests of a cement mortar plate were conducled. The opposite sides of the plate were elastic supports. Through cyclic shocks with amplitude increasing, the failure features, the relationship between shock force and acceleration response, and the relationship between impact energy and acceleration response of the plate were studied. The results showed that a transverse crack nearby the midspan of the plate appears, its failure state is brittle splitting; the location of failure offsets the midspan under uniform shock; time history curves of the hammering force include three stages of major shock, secondary shock and unloading; the acceleration response of the plate increases with increase in the hammering force, however, the hammering force and acceleration response decrease obviously after the transverse crack appears; there are two groups of acceleration response regions under uniform shock; the acceleration response increases with increase in impact energy; once impact energy reaches a certain level, the acceleration response decreases obviously; if impact energy continuously increases, the acceleration response increases again, brittle splitting failure occurs rapidly, and the acceleration response decreases obviously again; furthermore, support bolt loosening can absorb some impact energy.

Key words:shock load; vibration; damage; cement mortar plate

建筑物因受靜載或偶然或人為所致沖擊荷載作用，其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件往往表現(xiàn)出不同于常規(guī)荷載作用的破壞特征及受力性能。研究表明，美國世貿(mào)中心倒塌的直接原因為火災(zāi)削弱結(jié)構(gòu)構(gòu)件及上部結(jié)構(gòu)塌落沖擊共同作用，結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌階段后，非撞擊區(qū)連續(xù)破壞主要因撞擊區(qū)以上結(jié)構(gòu)塌落的沖量，沖擊遠(yuǎn)大于堆載影響，堆載并非結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌主要原因[1]。此外，為適應(yīng)城市對國防、反恐、治安、消防等需求，一些超高層建筑在屋頂設(shè)直升機(jī)停機(jī)坪，屋頂強(qiáng)度應(yīng)考慮直升機(jī)粗猛著陸時的沖擊載荷[2]。建筑物整體倒塌主要因梁、板、柱等主要受力構(gòu)件遭破壞，從而引起整個結(jié)構(gòu)倒塌。

國內(nèi)外已有對混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能的試驗研究[3]?；炷两Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件沖擊性能試驗研究也已開展，試驗大多采用落錘沖擊方法。王新武等[4]通過跨中施加落錘沖擊荷載方法研究帶覆土無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗沖擊性能。張望喜等[5]利用輕氣炮試驗裝置進(jìn)行鋼管混凝土柱模型沖擊試驗，獲取構(gòu)件沖擊荷載下應(yīng)變時程曲線及破壞形態(tài)。涂勁松等[6]對簡支鋼管混凝土跨中撓度進(jìn)行落錘沖擊試驗分析。任曉虎等[7-8]用落錘沖擊實驗機(jī)分別對高溫作用后的鋼管混凝土短柱、梁進(jìn)行抗沖擊性能試驗研究。李立軍等[9]對鋼管混凝土抗側(cè)向沖擊性能及破壞特征進(jìn)行試驗研究。

混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷與整體破壞間關(guān)系一直為工程界研究熱點，顧培英等[10-11]提出的基于重整化群理論的混凝土結(jié)構(gòu)整體安全評價方法，從板式結(jié)構(gòu)著手，不但對樓板、橋面等沖擊破壞開展更深入研究，且能更好為大體積結(jié)構(gòu)如重力壩沖擊荷載下安全評價提供技術(shù)支持。本文利用砂漿板模擬混凝土板，通過錘擊、均勻沖擊系列動荷載試驗，采用逐級遞增循環(huán)沖擊加載方式，重點研究沖擊荷載作用下砂漿板的破壞特征及沖擊力、沖擊能與最大加速度響應(yīng)間關(guān)系。

1試驗方案

1.1試件制備

試驗構(gòu)件為對邊螺栓連接砂漿板。試件分為二組，分別為板面中心錘擊荷載試驗4個、板面均勻沖擊荷載試驗3個。試件尺寸為1 180 mm600 mm100 mm。砂漿通過攪拌機(jī)攪拌后木模澆筑成型，到齡期后進(jìn)行砂漿試塊材料力學(xué)性能試驗，砂漿試塊彈性模量13.1 GPa，抗壓強(qiáng)度25.4 MPa，泊松比0.18。

1.2試驗裝置

兼顧其它同步測試項目，如高速攝影、聲發(fā)射，并考慮可觀測性，砂漿板須垂直放置。振動試驗裝置包括激勵設(shè)備或裝置、傳感及信號放大設(shè)備、信號采集設(shè)備、信號分析系統(tǒng)。試驗選用DFC-2中型高彈性聚能力錘、自行設(shè)計沖擊板、CA-YD-107加速度傳感器、INV-8 多功能抗混濾波放大器、INV306U-6260智能信號采集處理分析儀及DASP智能數(shù)據(jù)采集、信號分析系統(tǒng)。其它同步測試試驗裝置介紹略去。

板左右兩側(cè)通過支墩、角鋼及螺栓固定，理想狀態(tài)下邊界條件可近似為固定支座。需要說明的是，由于砂漿板屬脆性結(jié)構(gòu)，且木模澆筑難以達(dá)到理想平整度，故螺栓不能擰太緊，否則會損壞試件。試驗時支座部分螺栓可能松動，試件在支座處可能會發(fā)生局部回彈。

圖1　沖擊激勵裝置 Fig.1 Device of shock excitation

圖2 錘擊荷載試驗加載及傳感器布置圖(單位:mm)Fig.2Layoutofloadandsensorsabouthammeringtest(unit:mm)圖3 均勻沖擊荷載試驗加載及傳感器布置圖(單位:mm)Fig.3Layoutofloadandsensorsaboutuniformshocktest(unit:mm)

據(jù)加載方式，沖擊激勵裝置分兩類，見圖1(部分為聲發(fā)射傳感器，研究結(jié)果另文，此處略去)。錘擊激勵裝置利用繩子懸吊聚能力錘(類似擺錘沖擊)，通過調(diào)整力錘與砂漿板水平距離改變沖擊能，沖擊力值通過力傳感器測得。為保證加載方向水平，并對準(zhǔn)板面中心預(yù)先調(diào)整錘頭方向，見圖1(a)。均勻沖擊試驗激勵裝置自行設(shè)計，將4塊900 mm140 mm10 mm鋼板作為加載板，每塊加載板分別用2根角鋼懸吊，高度相等，并將滑輪與頂部加載板相連，見圖1(b)、(c)?？紤]加載板間相互作用及擺臂變形、摩擦力等影響，用HX-3型高速攝像機(jī)分別測得4塊加載板接觸試件前的瞬時沖擊速度及接觸時刻計算沖擊能。測試結(jié)果表明，4塊加載板基本能同時接觸試件，沖擊速度差異不大，近似認(rèn)為沖擊力均勻。測得頂部加載板提升高度與平均沖擊速度關(guān)系曲線見圖1(d)。由于擺臂質(zhì)量僅為加載板的2.89%，沖擊能更小，故忽略其沖擊能影響。

在錘擊荷載試件加載面安裝7只加速度傳感器，見圖2。均勻沖擊荷載試驗在試件背面安裝8只加速度傳感器，見圖3。

2試驗結(jié)果及分析

2.1錘擊荷載試驗結(jié)果及分析

本文研究砂漿板沖擊破壞問題，結(jié)構(gòu)非線性不容忽視，加載過程至關(guān)重要。采用逐級遞增循環(huán)沖擊加載方式，錘擊荷載試驗加載過程及破壞描述見表1。錘擊作用下砂漿板加載面破壞形態(tài)見圖4。典型錘擊沖擊力及加速度響應(yīng)時程曲線見圖5。錘擊沖擊力與最大加速度響應(yīng)關(guān)系曲線見圖6，圖中為3個試件的錘擊試驗結(jié)果。由于B1-2砂漿板部分加速度響應(yīng)過載，沖擊力較大時未測到最大加速度響應(yīng)值，故對B1-2加速度響應(yīng)不作分析。

表1　錘擊荷載試驗加載過程及破壞描述

注：L值為力錘與試件的初始水平距離，單位：cm。

圖4　錘擊作用下砂漿板加載面破壞形態(tài)(板正面) Fig.4 Failure shapes of loading surface by hammering (the face of plate)

據(jù)表1、圖4并結(jié)合試驗過程可知，沖擊力較小時，砂漿板在支座螺栓連接處附近先出現(xiàn)裂縫。隨沖擊力增加在跨中區(qū)域出現(xiàn)貫穿裂縫，呈劈裂破壞形態(tài)，屬脆性破壞，貫穿裂縫穿過板面中心錘擊處。由于支座螺栓連接處存在應(yīng)力集中，先出現(xiàn)裂縫以釋放部分能量，在沖擊作用下因跨中動位移最大，作為脆性材料的砂漿板發(fā)生跨中劈裂破壞。由圖5(a)看出，錘擊沖擊總作用時間6.06 ms，沖擊力時程曲線經(jīng)歷三階段，依次稱主沖擊段Ⅰ、次沖擊段Ⅱ及卸載段Ⅲ。主沖擊力峰值最大，作用時間1.17 ms；次沖擊段含3、4個小峰值，作用時間4.89 ms。圖5(b)表明，加速度響應(yīng)值隨沖擊作用時間逐漸減小，響應(yīng)時間約11 ms。

由圖6曲線趨勢看出，加速度響應(yīng)隨沖擊力增加而增加。裂縫貫穿后盡管增加沖擊能，但沖擊力、加速度響應(yīng)大幅減小，此因錘擊裂縫貫穿后的砂漿板裂縫寬度進(jìn)一步增大位移響應(yīng)增加，耗散大量沖擊能。分析得B1-1、B1-3、B1-4最大錘擊力分別為14.0 kN、11.2 kN、10.3 kN，平均11.8 kN。7#測點加速度響應(yīng)最大，3個試件最大加速度分別為300.8 g、298.2 g、306.6 g，平均301.9 g。劈裂破壞前一級錘擊作用下各測點峰值加速度響應(yīng)最大、最小、平均值分別為300.8 g、51.8 g、157.2 g。圖6(b)中在L=70 cm錘擊作用下B1-3出現(xiàn)貫穿裂縫。而4#測點加速度響應(yīng)規(guī)律例外，響應(yīng)值較大，主要因為該測點與其它測點不在貫穿裂縫同側(cè)(圖4(c))，因而引起4#測點響應(yīng)規(guī)律差異。圖6(c)曲線基本符合此規(guī)律，只是沖擊力較大時部分測點響應(yīng)規(guī)律略有偏差，此因該砂漿板平整度不佳，右支座縫隙較大，較大沖擊力作用下支座螺栓發(fā)生松動，耗散部分沖擊能。

圖5　典型錘擊沖擊力和加速度響應(yīng)時程曲線 Fig.5 Time history curves of force and acceleration response by hammering

圖6　錘擊沖擊力與最大加速度響應(yīng)關(guān)系曲線 Fig.6 Relationships between the maximum of hammering force and acceleration response

2.2均勻沖擊荷載試驗結(jié)果及分析

均勻沖擊荷載試驗加載過程及破壞描述見表2，砂漿板破壞形態(tài)見圖7，典型均勻沖擊作用下加速度響應(yīng)時程曲線見圖8，沖擊能與最大加速度響應(yīng)關(guān)系曲線見圖9。

表2　均勻沖擊荷載試驗加載過程及破壞描述

圖7 均勻沖擊作用下砂漿板破壞形態(tài)(板背面)Fig.7Failureshapesbyuniformshock(thebackofplate)圖8 典型均勻沖擊作用下加速度響應(yīng)時程曲線Fig.8Timehistorycurveofaccelerationresponsebyuniformshock

據(jù)表2、圖7，部分破壞與錘擊試驗結(jié)果類似，均勻沖擊作用下最后也出現(xiàn)貫穿裂縫，呈劈裂破壞形態(tài)，區(qū)別在于錘擊貫穿裂縫穿過板面中心，而均勻沖擊破壞位置與跨中有一定偏移。對板面較平整的砂漿板，其支座螺栓緊固力較大，在沖擊作用下不易松動，支座緩沖作用較弱，作用在板面的沖擊能相對集中，板面更易破壞(如B2-3板)，錘擊試驗過程中發(fā)現(xiàn)類似情況。雖理論上均勻沖擊作用下跨中動位移最大，該處也應(yīng)最易發(fā)生破壞，但由于加載鋼板與砂漿板接觸很難保證絕對均勻一致，故實際破壞位置與理論分析有一定差異。

大多數(shù)測點加速度響應(yīng)時程曲線分二組響應(yīng)區(qū)(圖8)，二組響應(yīng)時間分別平均為16 ms、19 ms，響應(yīng)總時間平均35 ms。 據(jù)圖9曲線趨勢可知，支座有一定緩沖作用的B2-1、B2-2板規(guī)律相似。加速度響應(yīng)隨沖擊能增加而增加。沖擊能達(dá)一定程度后，加速度響應(yīng)大幅減小，沖擊能繼續(xù)增加，響應(yīng)又增加，但很快發(fā)生劈裂破壞，加速度響應(yīng)再次大幅減小。第一次加速度響應(yīng)減小因支座附近局部開裂及螺栓松動引起。第二次響應(yīng)減小因貫穿裂縫、局部破壞及肉眼未觀察到的損傷耗能所致。B2-1、B2-2、B2-3板最大沖擊能分別為1509 J、1337 J、1075 J，B2-1、B2-2平均為1423 J。均勻沖擊作用下各測點峰值加速度響應(yīng)最大、最小、平均值分別為923.7 g、51.0 g、264.2 g，大于錘擊響應(yīng)。

圖9　沖擊能與最大加速度響應(yīng)關(guān)系曲線 Fig.9 Relationships between impact energy and the maximum of acceleration response

需要指出的是，本文雖對沖擊荷載作用下砂漿板振動響應(yīng)、破壞特征進(jìn)行分析，但仍有不少問題尚需進(jìn)一步研究，即①試驗發(fā)現(xiàn)支座螺栓松動有一定耗能作用，但如何進(jìn)一步規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)支座，消除支座影響；②沖擊荷載作用下，試件內(nèi)外部損傷或破壞的定量、定位聲發(fā)射規(guī)律及基于高速攝影技術(shù)的裂縫規(guī)律；③沖擊作用下大體積結(jié)構(gòu)如重力壩局部損傷與整體破壞間規(guī)律。

3結(jié)論

本文通過錘擊與自行設(shè)計的均勻沖擊荷載試驗裝置，采用逐級遞增循環(huán)沖擊加載方式研究系列沖擊荷載作用下砂漿板的破壞特征及沖擊力、沖擊能與最大加速度響應(yīng)關(guān)系。結(jié)論如下：

(1)板面中心錘擊作用時，支座螺栓連接處首先出現(xiàn)裂縫，隨沖擊力增加，穿過錘擊處的跨中區(qū)域出現(xiàn)貫穿裂縫，呈劈裂破壞形態(tài)，屬脆性破壞。錘擊沖擊力經(jīng)歷主沖擊、次沖擊、卸載三階段。加速度響應(yīng)隨錘擊力增加而增加，裂縫貫穿后盡管增加沖擊能，但沖擊力、加速度響應(yīng)大幅減小，此為裂縫貫穿后耗散大量沖擊能的緣故。較大沖擊力作用下支座螺栓發(fā)生松動，耗散部分沖擊能。

(2)均勻沖擊作用下，砂漿板也呈劈裂破壞形態(tài)，但破壞位置與跨中有一定偏移。支座螺栓緊固力較大的試件，沖擊緩沖作用相對較弱，砂漿板更易破壞。加速度響應(yīng)時程曲線分二組響應(yīng)區(qū)。響應(yīng)值隨均勻沖擊能增加而增加，當(dāng)沖擊能達(dá)一定程度后，加速度響應(yīng)會大幅減小，若繼續(xù)增加沖擊能，響應(yīng)又會增加，但很快發(fā)生劈裂破壞，響應(yīng)再次大幅減小。第一次響應(yīng)減小是由于支座附近局部開裂及螺栓松動耗能引起。第二次響應(yīng)減小是貫穿裂縫、局部破壞及肉眼未觀察到的損傷耗能所致。均勻沖擊響應(yīng)大于錘擊響應(yīng)。

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