沖擊荷載下混凝土的破壞與受力分析

摘 要：為了研究沖擊荷載下混凝土的破壞和受力行為，本研究采用了靜態壓縮試驗和分離式Hopkinson桿（SHPB）進行動態沖擊試驗，對含黏結界面混凝土在不同應變率下的破壞程度和力學行為進行研究，并利用基于Weibull分布的本構模型對試驗數據進行擬合和驗證。研究結果顯示，含黏結界面混凝土在不同應變率下表現出明顯的動態硬化效應。強度動態提高因子呈現先增后趨于穩定的變化，而細度模數則基本穩定在1.5～1.75。然而，沖擊韌性則呈現先增后減的趨勢。此外，基于Weibull分布的本構模型能夠較好地擬合含黏結界面混凝土在不同應變率下的應力-應變曲線。

關鍵詞：靜態壓縮試驗；動態沖擊試驗；力學行為

中圖分類號：TU 52" " 文獻標志碼：A

混凝土結構在實際工程中經常受到地震、爆炸等沖擊荷載的影響，這些荷載會對結構造成嚴重破壞。雖然混凝土的高強度和韌性使其在正常荷載下表現良好，但在沖擊荷載下，其受力和破壞行為會發生顯著變化[1]。已有大量研究深入探討了該問題。

沈峰[2]利用近場動力學方法描述了混凝土在動載荷下的損傷與破壞過程。許斌[3]對沖擊荷載下的混凝土性能進行研究。雷光宇[4]通過靜態壓縮試驗和沖擊試驗分析了混凝土沖擊荷載下的破壞強度。然而，目前對沖擊荷載下混凝土的動態響應和力學特性的相關研究仍然較少。為了改善混凝土在沖擊荷載下的性能，研究人員提出了含黏結界面混凝土的概念，并將其應用于結構工程中。但是，目前對含黏結界面混凝土在沖擊荷載作用下的破壞特征和應力應變行為的研究相對有限。因此，本文旨在分析沖擊荷載下混凝土的破壞與受力問題，為相關研究提供參考。

1 試驗材料和試驗儀器

本次研究使用的混凝土為含黏結界面混凝土，采用定制的磨具制備混凝土，磨具的半徑為80mm，高度為70mm。制備時先利用定制磨具進行澆筑，待成型后在標準條件下將其養護56天后即可進行試驗。

本次研究通過8802型電液伺服疲勞試驗機進行靜態壓縮試驗，設置的壓縮速率為0.01mm/min，通過分離式Hopkinson桿進行動態沖擊試驗。

2 試驗結果與分析

本次Hopkinson桿試驗中，含黏結界面混凝土的應力-應變關系如圖1所示。

分析圖1可知，當應變率為1s-1～20s-1時，含黏結界面混凝土的應力-應變曲線的峰值強度并不隨著應變率增加而呈現變大的趨勢。說明此時應變率對混凝土的強度影響不明顯。當應變率為20s-1～45s-1時，含黏結界面混凝土的應力-應變曲線表現出明顯的動態硬化效應。說明在較高應變率下，混凝土的內部結構和黏結界面受到更大的變形速率，導致位錯運動和晶粒邊界滑移增加，從而提高了混凝土的剛度和硬度。

為了進一步分析含黏結界面混凝土在受不同沖擊加載速率下的破壞程度和力學行為的變化，本文引入公式（1）、公式（2）分別計算含黏結界面混凝土的強度動態提高因子（Dynamic Increase Factor，DIF）和發生破壞時的細度模數，來探究其在高應變率加載下的強度相對于低應變率加載下的強度增加倍數以及破碎程度。

（1）

式中：σd為分離式Hopkinson桿試驗中的峰值強度；σs為靜態壓縮試驗中的峰值強度。

（2）

式中：d1～d6均是篩孔的直徑。

公式（1）的計算結果見表1。

分析表1可知，隨著應變率增加，含黏結界面混凝土的強度動態提高因子呈現先線性增加，后趨于穩定的趨勢。在低應變率的情況下，含黏結界面混凝土的變形速度較慢，這說明混凝土的內部結構有足夠的時間來調整和適應應力的變化，因此，它的力學性能并沒有得到充分發揮，在低應變率的情況下，強度動態提高因子的值相對較小。然而，隨著應變率增加，混凝土的變形速度加快，其內部的微觀結構和力學響應也會發生相應改變，這使混凝土的力學性能發揮得更好，從而使強度動態提高因子的值增加。這個過程也可以理解為混凝土在更高的應變率下，通過調整其內部結構，提高了其對應力的抵抗能力。然而，當應變率進一步增至一定程度時，混凝土的動態響應已經趨于飽和，即混凝土已經充分發揮了其力學性能，此時強度動態提高因子的值趨于穩定。這個現象表明，盡管應變率繼續增加，但混凝土的力學性能并沒有進一步提高，反而趨于穩定。因為在高應變率下，混凝土的內部結構已經達到了一種平衡狀態，所以無法進一步調整來提高其力學性能。

公式（2）的計算結果見表2。

細度模數是評價混凝土骨料的一個重要參數，它主要受到材料的顆粒組成和粒徑分布等因素的影響。然而應變率是描述材料變形速度的一個參數，它反映了材料在受力時的應變程度。雖然應變率對混凝土的力學性能有一定影響，但對細度模數的影響較小。因為細度模數主要受混凝土的物理性質和成分影響，而與應變率的關系不大。所以，在給定的應變率范圍內，無論應變率如何變化，細度模數基本都穩定在1.5～1.75。這說明細度模數是一個相對穩定的參數。

動態峰值應變是衡量材料在動態加載條件下所能承受的最大應變程度的指標。表3為含黏結界面混凝土在受不同沖擊加載速率下的動態峰值應變變化情況。

分析表3可知，含黏結界面混凝土的動態峰值應變與應變率呈正相關。然而，與靜態壓縮試驗相比，SHPB沖擊試驗中的峰值應變明顯減少。具體而言，當應變率為10s-1時，與靜態壓縮試驗相比，含黏結界面混凝土的峰值應力降低了86.3%。這說明在沖擊試驗中，混凝土的應力承載能力明顯降低，沖擊載荷的高能量和短時間作用，導致混凝土無法充分適應和分散沖擊能量，從而使其峰值應變明顯減少。而當應變率增至45s-1時，與靜態壓縮試驗相比，含黏結界面混凝土的峰值應力降低了9.8%。盡管應變率較高，但降低的幅度相對較小。這表明在較高的應變率下，混凝土的應力承載能力仍然能夠保持相對穩定，雖然有一定程度降低，但降低幅度不如較低應變率下的明顯。這種現象可以解釋為，當應變率增加時，混凝土無法充分適應和分散沖擊能量，導致部分能量轉化為局部破壞和斷裂，從而使峰值應變減少。盡管如此，混凝土仍能在一定程度上承受沖擊載荷，使其峰值應力相對穩定，說明含黏結界面混凝土在動態加載下具有一定的抗沖擊性能，但與靜態加載相比，其整體破壞能力有所降低。

沖擊韌性是指當材料受到沖擊或沖擊載荷時能夠吸收能量并繼續承受沖擊載荷而不發生破壞的能力。根據SHPB沖擊試驗中含黏結界面混凝土的沖擊韌性的變化可知，當應變率較低時，隨著應變率增加，含黏結界面混凝土的沖擊韌性提高。然而，當應變率達到一定值時，總韌性、破壞前的沖擊韌性和破壞后的沖擊韌性均出現逐漸降低的趨勢。這是因為在較低的應變率下，材料有足夠的時間進行塑性變形和能量吸收，所以能提高總韌性和沖擊韌性。而在高應變率下，材料的變形速率增加，塑性變形的能力受到了限制，削弱了材料的吸能能力，使總韌性和沖擊韌性降低。

3 模型驗證

根據損傷力學理論中的等應變假設，在一維應力狀態下，應力的分布可以用公式（3）表示。

σ=E（1-D）ε （3）

式中：σ為應力；E為彈性模量；D為損傷變量；ε為應變。

在Weibull分布的概率密度函數下損傷變量可以用公式（4）表示。

（4）

式中：n和k均為擬合參數。

根據公式（4），公式（3）可以轉化為公式（5）。

（5）

通過公式（5）擬合SHPB沖擊試驗中不同應變率下的應力應變數據，結果如圖2所示。

根據圖2可知，公式（5）在不同應變率下的擬合程度較好，特別是應力隨著應變增加而增加的階段，公式（5）的擬合值與預測值幾乎一致，但是當應變超過屈服應變后，公式（5）的擬合值逐漸變差，可能是由于Weibull分布的本構模型是基于一些簡化的假設，因此這些假設無法完全描述混凝土在復雜加載條件下的行為，導致模型在應力應變全曲線方面的適用性受限。

4 結論

本文通過靜態壓縮試驗和SHPB沖擊試驗，對含黏結界面混凝土在不同應變率下的破壞與受力進行試驗研究，并利用Weibull分布的本構模型對試驗數據進行了擬合，得出以下主要結論。1）含黏結界面混凝土在不同應變率下的應力應變曲線表現出明顯的動態硬化效應。2）含黏結界面混凝土在不同應變率下的強度動態提高因子呈現先增后趨于穩定的趨勢，而細度模數則基本穩定在1.5～1.75。3）含黏結界面混凝土在不同應變率下的沖擊韌性均呈現先增后減的過程。4）Weibull分布的本構模型能夠較好地擬合含黏結界面混凝土在不同應變率下的應力-應變曲線，但是當應變超過屈服應變后，Weibull分布的本構模型仍然無法完全反映材料在復雜加載條件下的行為。

參考文獻

[1]趙文，梁磊，張鋒春，等.沖擊荷載作用下混凝土的受力分析[J].東北大學學報（自然科學版），2008，29（5）：4.

[2]沈峰，章青，黃丹，等.沖擊荷載作用下混凝土結構破壞過程的近場動力學模擬[J].工程力學，2012（增刊1）：12-15.

[3]許斌，曾翔.沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁性能試驗研究[J].土木工程學報，2014，47（2）：12.

[4]雷光宇，黨發寧，陳厚群.沖擊荷載作用下混凝土破壞強度的確定及CT驗證[J].地震工程與工程振動，2013，33（3）：7.