高溫后鋼管活性粉末混凝土的動態力學性能*

姜 猛,郭志昆,陳萬祥,鄒慧輝,梁文光

(解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

高溫后鋼管活性粉末混凝土的動態力學性能*

姜 猛,郭志昆,陳萬祥,鄒慧輝,梁文光

(解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

采用霍普金森壓桿裝置對高溫后鋼管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube，RPC-FST)進行沖擊壓縮實驗，分析了應變率效應及溫度效應對試件動態力學性能的影響。結果表明：高溫(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有較好的抗沖擊能力、延性和完整性；沖擊荷載作用下，RPC-FST的應變率效應明顯弱于RPC的應變率效應；隨著過火溫度的提高，RPC-FST的峰值應力逐漸增大，變形能力增強，抗沖擊能力提高。動力提高系數隨過火溫度的提高而增大，說明高溫后RPC-FST的應變率效應更顯著。

鋼管活性粉末混凝土;霍普金森桿;動態力學性能;破壞形態

鋼管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube，RPC-FST)具有承載力高、剛度大、塑性和韌性好等優點，是鋼管混凝土(concrete-filled steel tube，C-FST)中極具開發潛質和應用前景的新型抗火抗爆組合結構，常用作重大工程的承重構件[1]。

對高溫后RPC-FST的研究主要集中于靜力性能方面，對沖擊或爆炸產生的應變率100～104s-1范圍內的動態行為及極限強度缺乏深入研究。近年來，對常溫下C-FST構件在橫向沖擊荷載作用下的承載力和破壞形態進行了實驗和數值模擬研究[2-6]。高溫下抗沖擊方面，何遠明等[7]采用霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)研究了溫度(200～800 ℃)和沖擊速度(11.8～18.6 m/s)對C-FST動態力學性能的影響，發現高溫下C-FST仍具有良好的抗沖擊能力、延性和耗能能力。霍靜思等[8]采用落錘沖擊試驗機進行了火災作用下C-FST短柱抗沖擊能力實驗研究，考察受火時間、沖擊速度、沖擊能量和含鋼率對其沖擊性能的影響，得到的結論與何遠明等[7]得到的結論類似。高溫后抗沖擊方面，霍靜思等[9]采用SHPB實驗裝置對常溫和高溫(100～700 ℃)后C-FST進行多次沖擊性能實驗研究，發現高溫后C-FST經歷多次沖擊后無明顯強度劣化，具有良好的抗多次沖擊力學性能和變形能力。本文中，采用SHPB實驗裝置研究高溫后RPC-FST在90～130 s-1應變率范圍內的動態力學性能，與文獻[7-9]不同之處是著重研究高溫后RPC-FST的動態應力-應變關系及破壞特征，并給出動力提高系數(dynamic increase factor，DIF)的計算方法。

1 實驗概況

1.1 實驗設計

考察不同應變率(90～130 s-1)和過火溫度(20～300 ℃)對RPC-FST動態力學性能及破壞形態的影響。RPC-FST試樣的套箍系數：

式中：fy為鋼管的屈服強度，As為鋼管的面積，fc為RPC軸心抗壓強度，Ac為RPC面積。本文中:

可充分發揮鋼管的約束作用[10]。此外，因試件尺寸[7]和摩擦效應[11]對SHPB實驗結果有顯著影響，根據E.D.H.Davies等[12]的建議，本文中試件的長徑比L/D控制在0.50～0.53之間。

1.2 原材料和配合比

RPC中水和硅膠的質量之比m(水)∶m(膠體)=0.19∶1.00；膠體由水泥和硅灰組成，且m(水泥)∶m(硅灰)=1.00∶0.28；RPC中m(粗石)∶m(水泥)=0.75∶1.00；m(細石)∶m(水泥)=0.37∶1.00；m(石英粉)∶m(水泥)=0.39∶1.00；減水劑在減水劑的水溶液中的質量分數為2.2%。按照上述配合比制作了6塊100mm×100mm×100mm的RPC立方塊，同時采用壁厚2mm的Q345鋼管制作3個標準拉伸試件。根據文獻[13-14]中的方法分別測得RPC的抗壓強度為120MPa,彈性模量為34.2GPa，泊松比為0.19;鋼管的屈服強度為350MPa,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28。

1.3 實驗裝置與實驗方法

沖擊壓縮實驗在?75mmSHPB裝置上進行。壓桿和子彈的材料均為高強度彈簧鋼，子彈、入射桿和透射桿直徑均為75mm，子彈長400mm，入射桿總長3 500mm，透射桿總長2 000mm，見圖1。

圖1 SHPB實驗裝置Fig.1 SHPB test setup

制作了6組共18個?70 mm×35 mm的RPC-FST試件(鋼管外徑為70 mm，壁厚4 mm)和6組共18個?70 mm×35 mm的RPC試件。RPC-FST試件標準養護28 d后在車床上加工成壁厚2 mm的RPC-FST試件，然后在電阻絲爐內進行升溫實驗，待試件冷卻后再進行SHPB實驗。為防止核心RPC高溫爆裂，過火溫度范圍為20～300 ℃。

圖2 應變信號波形曲線Fig.2 Strain signals

圖2為最高溫為20 ℃、發射氣壓為1.0 MPa的條件下，由應變片采集到的RPC-FST和RPC試件的應變信號波形。由三波法[15]可得試樣的應變率：

式中：c0為波速，ls為試件長度，εi(XG1,t)為入射應變信號，εt(XG2,t)為透射應變信號。

平均應變率取應變率時程曲線上升段拐點至曲線下降段與上升段拐點值相同的點這一段應變率的平均值[16]，即圖3所示曲線AB段和CD段的平均值。由圖4可以看出透射波曲線和(入射波+反射波)曲線有較好的吻合性，說明試件在加載過程中滿足動態應力平衡。

圖3 平均應變率取值Fig.3 Determination of average strain rate

圖4 動態應力平衡Fig.4 Dynamic stress balance

2 實驗結果與分析

2.1 靜態強度估算

受火過程中C-FST存在明顯的溫度梯度，且高溫后混凝土極限強度只與最高過火溫度有關[17]。對于RPC-FST求解時可以把混凝土劃分成有一定厚度的n個圓環單元，鋼材取整個鋼管圓環截面。根據加權平均法可以將高溫后核心混凝土的平均軸心抗壓強度表示為：

(1)

式中：fci(θ)和Aci分別為核心混凝土第i個圓環截面經歷高溫后的軸心抗壓強度和圓環截面面積。

高溫實驗的升溫曲線及擬合曲線如圖5所示,擬合公式為：

利用ANSYS軟件可以得到混凝土經歷最高溫度后的溫度場如圖6所示。高溫后第i環混凝土軸心抗壓強度可以由下式[17]確定：

(2)

式中:fcu為混凝土立方塊的抗壓強度，MPa；θmax為混凝土最高過火溫度，℃。

圖5 試件升溫擬合曲線Fig.5 Fitting curves for elevated temperature

根據公式(1)～(2)可以得到200、300 ℃高溫后核心RPC平均軸心抗壓強度分別為95、94 MPa。參考文獻[18]，高溫后RPC-FST靜態極限強度按下式進行估算：

(3)

得到20、200、300 ℃過熱后RPC-FST的靜力強度分別為170、152、151 MPa。

2.2 實驗結果分析

表1 RPC-FST沖擊實驗結果

表2 RPC沖擊實驗結果

2.2.1 應變率的影響

由圖2可以看出，試件中峰值應力對應的入射波荷載明顯高于透射波幅值，說明在沖擊荷載下試件破壞，因此峰值應力可以代表試件的承載能力。由表1～2和圖7～8可以看出:應變率為100和120 s-1的沖擊荷載下RPC-FST和RPC的峰值應力較靜態抗壓強度分別提高了31%和63%以上，且提高幅度隨應變率的增大而增大，表現出明顯的應變率效應；相同應變率下，RPC-FST的DIF值比RPC的小24%以上，說明RPC-FST的應變率效應明顯弱于RPC的應變率效應。

圖7 不同應變率下應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves at different strain rates

圖8 峰值應力-應變率關系Fig.8 Peak stress-strain rate curves

由圖7、9～10可見，當應變率由100 s-1增大至120 s-1時，RPC-FST和RPC的應力-應變曲線下降段均呈上凹型，RPC發生粉碎性破壞，而RPC-FST出現較明顯的裂縫，鋼管出現鼓脹，但未發生破碎現象，說明RPC-FST發生塑性變形，呈延性破壞。這是由于沖擊荷載作用下核心RPC內部裂紋開展引起橫向膨脹，鋼管的約束作用逐漸發揮，核心RPC處于3向受壓狀態，RPC-FST的組合極限承載力大大提高，鋼管有效抑制了RPC芯柱內部微裂縫的發生和發展，降低了裂縫擴展的速度，提高了RPC-FST的強度和變形能力。

圖9 RPC-FST破壞形態Fig.9 Failure modes of RPC-FST under impact loading

圖10 RPC破壞形態Fig.10 Failure modes of RPC under impact loading

2.2.2 溫度的影響

圖11 峰值應力-溫度曲線Fig.11 Peak stress-temperature curves

由圖11可知，RPC-FST峰值應力隨過火溫度的提高而增大，這是由于經歷高溫作用后，RPC內部毛細水蒸發，相當于經歷了“自蒸”，水泥水化和火山灰反應相互促進，消耗了更多對強度有不利影響的Ca(OH)2，并生成了更多的C-S-H凝膠，使得內部結構更密實；RPC經歷溫度不高于300 ℃時，相當于經歷了“高溫養護”，使得二次水化反應更充分，強度較常溫時相應提高[19]。以高溫300 ℃為例(見表1)，應變率100 s-1和120 s-1下的RPC-FST峰值應力較常溫下分別提高11%和8.5%，DIF分別提高25%和22%，說明溫度對應變率效應有顯著影響。由圖12可知，隨著過火溫度的提高，RPC-FST和RPC的應力-應變曲線與橫坐標軸的包絡面積逐步增大，說明高溫后RPC-FST和RPC的變形能力增強。

圖12 不同溫度下應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain curves at different temperatures

2.2.3 動力增大系數

動力增大系數λdi(動態強度與準靜態強度的比值)是衡量材料應變率效應的重要指標。圖13給出了不同溫度后DIF與應變率的關系，其中圖13(b)給出了Committee Euro-International du Beton Lausanne (CEB)[20]的DIF計算結果，CEB公式中考慮了混凝土強度和應變率對DIF值的影響，被廣泛用于預測混凝土動態抗壓強度。可以看出，常溫下實驗得到的DIF與CEB預測的DIF基本吻合，但高溫后實驗得到的DIF偏大，因此采用CEB方法將低估高溫后RPC的動力提高系數19%～26%。相同應變率下DIF值隨過火溫度提高而增大，說明RPC-FST的應變率效應隨過火溫度的提高而增強。

任曉虎等[21]在文獻[22]給出的DIF計算方法的基礎上，提出了高溫后C-FST動力提高系數的計算方法：

(4)

高溫后鋼管的屈服強度可以由下式計算：

(5)

圖13 不同溫度后動力增大系數與應變率的關系Fig.13 Variations of dynamic increase factors versus strain rates

目前尚無高溫后混凝土以及鋼材的動力增大系數的計算方法，但何遠明等[7]和霍靜思等[9]研究發現高溫后C-FST具有與常溫下C-FST相類似的應變率效應，因此本文中高溫后混凝土以及鋼材的動力提高系數與常溫下的一致，即分別通過CEB[20]提出的公式:

(6)

和Cowpere-Symonds[23]提出的應變率模型：

(7)

由式(1)～(7)可以得到常溫、高溫200和300 ℃后RPC-FST動力提高系數的理論值如表3所示。

表3 動力提高系數的理論值與實驗值的對比

由表3可以看出，常溫下RPC-FST的DIF實驗值與理論值吻合較好。相同高溫后，DIF的理論值與實驗值的相對誤差隨應變率的提高而逐漸減小；相同應變率下，DIF的理論值與實驗值的相對誤差隨過火溫度的提高而總體減小。高溫后的DIF理論值與實驗值的相對誤差在12%以內，說明本文的理論方法可以合理預測高溫后RPC-FST的極限強度，但由于高溫后RPC-FST的抗沖擊特性與受火方式、受火溫度、套箍系數等因素有關，更精確的DIF計算尚需進一步研究。

3 結 論

通過常溫、高溫200和300 ℃后RPC-FST和RPC的SHPB沖擊性能實驗，得到如下結論：

(1)RPC-FST發生塑性變形，呈延性破壞；與RPC相比，RPC-FST具有更好的抗沖擊能力。

(2)RPC-FST和RPC均呈現明顯的應變率效應，但RPC-FST的應變率效應明顯弱于RPC。

(3)本實驗條件(高溫200和300 ℃后)下，隨著溫度的提高，RPC-FST的峰值應力逐漸增大，變形能力增強，抗沖擊能力提高，這是由于高溫使得RPC-FST內部結構更致密和機械變形能力增強所致。

(4)相同應變率下的DIF隨過火溫度的提高而增大，說明溫度對應變率效應有顯著影響。高溫后RPC-FST的DIF理論值與實驗值吻合較好，但更精確的DIF尚需進一步研究。

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(責任編輯 張凌云)

Mechanical properties of reactive powder concrete-filled steel tube after exposure to high temperature under impact loading

Jiang Meng, Guo Zhikun, Chen Wanxiang, Zou Huihui, Liang Wenguang

(StateKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationofExplosionandImpact,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,Jiangsu,China)

Experiments on reactive powder concrete-filled steel tube (RPC-FST) specimens after exposure to high temperature were performed by using a split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus, and the influences of strain rate effects and temperature effects on the dynamic behaviors of RPC-FST were investigated. Test results show that the RPC-FST specimens after exposure to high temperature have excellent impact-resistance, ductility and integrity. The strain rate effects of the RPC-FST specimens are weaker than those of the RPC specimens under impact loading. The peak stress of the RPC-FST specimens increases as the temperature increases, and the deformation capability and impact-resistance increase. The dynamic increase factor (DIF) increases as the temperature increases. It means that the strain rate effects of RPC-FST become more obvious after exposure to high temperature.

reactive powder concrete-filled steel tube (RPC-FST); Hopkinson pressure bar; dynamic behavior; failure mode

10.11883/1001-1455(2017)03-0405-10

2015-10-12；

2016-01-08

國家自然科學基金項目(51378498,51578541);江蘇省自然科學基金項目(BK20141066)

姜 猛(1989— )，男，碩士研究生; 通信作者: 陳萬祥,cwx_0806@sohu.com。

O381;TU398 國標學科代碼： 13035

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