低速沖擊下纖維混凝土梁的動力學(xué)特征與斷裂耗能研究

馬 鋼， 高松濤， 王卓然， 馬志宏

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030000；2.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 033000)

現(xiàn)階段，由于混凝土應(yīng)用環(huán)境的多樣化和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜化，對混凝土性能提出了新要求，力求降低混凝土的拉壓不對稱性、保證其在復(fù)雜環(huán)境服役壽命，并提升混凝土結(jié)構(gòu)承受多種外力作用與抵御突發(fā)災(zāi)害的能力。針對城市生命線工程、防護(hù)工程或近海工程等極易受到爆炸和沖擊等較大的短時(shí)動態(tài)載荷的情況，工程中常對混凝土材料進(jìn)行纖維復(fù)合增強(qiáng)，即在其中摻入隨機(jī)亂向分布的短切纖維，以改善混凝土的抗沖擊韌性[1]。工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的混凝土增強(qiáng)用短切柔性纖維主要有碳纖維(carbon fiber, CF)、玄武巖纖維(basalt fiber, BF)和玻璃纖維(glass fiber, GF)三種，各類型纖維的物理力學(xué)性能對比如表1所示：CF在水中分散性相對較差，易發(fā)生絮凝，但由于CF制備而成的碳纖維布本身的可塑性高，可依據(jù)施工環(huán)境進(jìn)行花紋樣式設(shè)計(jì)以及尺寸大小剪裁，其在工程應(yīng)用中常作為增強(qiáng)覆層鋪設(shè)于混凝土表面，用于混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位或受彎構(gòu)件的加固或損傷修復(fù)，隨著CF分散技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于短切CF增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用研究亦越來越廣泛，大大拓展了其工程應(yīng)用范圍[2-5]；BF常用于對輕骨料、納米微粉等高性能混凝土的韌性增強(qiáng)，可在保證混凝土功能性的同時(shí)進(jìn)一步控制成本[6-9]；GF具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，用于近海工程、地下工程、化工廠房等易受酸堿腐蝕的極端環(huán)境以保持混凝土材料的長期性能與耐久性能，保證結(jié)構(gòu)的服役壽命[10-12]。

表1 三種纖維的主要物理力學(xué)性能

近年來，國內(nèi)研究人員分別開展了CF、BF、GF增強(qiáng)混凝土的抗彎、變形與耗能性能的相關(guān)研究，研究大多集中于短切纖維類型、摻量、長徑比等與混凝土靜態(tài)力學(xué)性能間的關(guān)聯(lián)性方面，如Yan等[13]通過對BF和GF等纖維增強(qiáng)的高韌性混凝土材料的延性特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明摻量為2.5%的BF、PPF和GF混凝土試樣抗彎強(qiáng)度分別提高了20.8%和27.9%，斷裂能量提高20.04%和30.2%；廉杰等[14]對不同體積摻量和長徑比的玄武巖纖維混凝土梁力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入BF能有效提高混凝土的強(qiáng)度，且體積摻量對混凝土強(qiáng)度的影響比長徑比更顯著。國內(nèi)外相關(guān)研究均表明，纖維的摻入有利于提升混凝土受彎構(gòu)件在準(zhǔn)靜態(tài)力作用下的力學(xué)性能。

纖維增強(qiáng)混凝土的功能性特征使其在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯，特別是近海、橋梁、防護(hù)等工程，極易受到海潮拍擊、車船撞擊、爆炸沖擊等動載荷沖擊。為了進(jìn)一步評價(jià)纖維混凝土在沖擊載荷下的性能差異，指導(dǎo)纖維增強(qiáng)混凝土材料在復(fù)雜工程環(huán)境中的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對短切纖維與混凝土動態(tài)彎曲韌性、抗沖擊性能間的規(guī)律均開展了相關(guān)研究。Tabatabaei等[15]對比了素混凝土、鋼筋混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土板的抗沖擊性能，結(jié)果表明，摻入1.5%的碳纖維含量可將混凝土板的抗沖擊性能提升至約90%，并可減少在沖擊下混凝土板的碎裂程度；Liu等[16]研究了玄武巖纖維束增強(qiáng)混凝土在不同沖擊速度和溫度(-25 ℃～100 ℃)條件下的抗沖擊性能和失效模式，得出沖擊速度、溫度、摻量和邊界條件都會影響玄武巖纖維束增強(qiáng)混凝土的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，且沖擊速度與摻量對試件的失效模式影響較為顯著；Ou等[17]研究了應(yīng)變率和溫度對玻璃纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能和失效模式的影響，討論了不同應(yīng)變率和溫度載荷下的玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的動態(tài)力學(xué)本構(gòu)特征；Liu等[18]對分別摻入短切碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維的混凝土梁開展了落錘沖擊試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，碳纖維、玻璃纖維混凝土的彎曲韌性隨沖速和摻量的增加而增強(qiáng)，短切鋼纖維混凝土的沖擊力峰值更高。盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，但仍存在諸多不足：研究思路上，大多集中于對某單一類型纖維的動態(tài)增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)，缺乏同等條件下各種柔性纖維對混凝土增強(qiáng)效應(yīng)的橫向比較；試驗(yàn)方法上，沖擊加載方式、試件外形與邊界條件各異，難以對不同纖維混凝土的動態(tài)力學(xué)特征的差異性做出評價(jià)；研究結(jié)論上，對纖維混凝土斷裂性能的研究較多，對能量吸收方面的研究不足。

鑒于此，本文擬采用落錘試驗(yàn)設(shè)備，對纖維長度為6 mm且體積摻量均為0.30%的碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維混凝土梁進(jìn)行了低速沖擊試驗(yàn)，采用相同載荷與邊界條件、相同尺寸與配比的混凝土試件開展試驗(yàn)，針對素混凝土梁和各類型纖維混凝土梁的抗彎失效機(jī)理及斷裂耗能進(jìn)行對比研究。本試驗(yàn)通過高速攝像機(jī)記錄各試件梁的斷裂破壞過程，提取并分析對比了跨中豎向位移時(shí)程曲線、加速度時(shí)程曲線及拉壓應(yīng)變時(shí)程曲線。詳細(xì)分析了錘頭沖擊力和慣性力，并得到等效變形力-位移曲線，計(jì)算出各纖維混凝土梁斷裂耗能。相關(guān)試驗(yàn)及分析結(jié)果可為復(fù)雜工程條件下對各類型纖維增強(qiáng)混凝土受彎構(gòu)件的選擇性應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和主要儀器

本試驗(yàn)采用短切聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN)基碳纖維，玻璃纖維及玄武巖纖維。三種纖維單絲直徑為7～15 μm，長度為6 mm(纖維物理力學(xué)性能，如表2所示；纖維實(shí)物，如圖1所示)；山東省優(yōu)Hydroxyethyl cellulose, 索化工科技有限公司生產(chǎn)的羥乙基纖維素(Hydroxyethyl cellulose, HEC)作為碳纖維分散劑，黏度30 000 Pa·s；江蘇省無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司生產(chǎn)的磷酸三丁酯作為液體消泡劑；聚羧酸高效減水劑；膠凝材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料粒徑為約5 mm碎石；細(xì)骨料為最大粒徑不大于1.5 mm河砂。制備試件所需的主要儀器有：用于對碳纖維進(jìn)行預(yù)分散的昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)的KQ250E型超聲波振動儀， JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)和單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)。

表2 本研究所用各纖維的實(shí)測物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試件設(shè)計(jì)及制備

本試驗(yàn)三種纖維混凝土的纖維體積摻量均為0.30%。為了使碳纖維以單絲態(tài)均勻分散于混凝土基體中，本試驗(yàn)采用Wang等[19]對短切碳纖維的6步分散方法制備碳纖維混凝土試件。玻璃纖維和玄武巖纖維直接撒入混凝土漿體中攪拌均勻以制備相應(yīng)混凝土試件。混凝土配合比如表3所示。所制作的試件梁包括素混凝土(plain concrete，PC)梁、碳纖維混凝土(carbon fiber reinforced concrete beams，CFRCB)梁、玄武巖纖維混凝土(basalt fiber reinforced concrete beams，BFRCB)梁和玻璃纖維混凝土(glass fiber reinforced concrete beams，GFRC)梁，所有試件梁尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，跨度為350 mm。每個(gè)工況測試三個(gè)試件以求得其平均值。另外，普通混凝土、碳纖維混凝土、玻璃纖維混凝土及玄武巖纖維混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度分別為51 MPa，46 MPa,47 MPa，48 MPa。

表3 混凝土配合比

由于碳纖維密度與混凝土密度有較大差距，且纖維表面具有憎水性等因素，其不易在混凝土基體中均勻分散。為了驗(yàn)證碳纖維分散情況，隨機(jī)取一定量碳纖維水泥漿，在養(yǎng)護(hù)室放置24 h，拆模制成小圓盤水泥基試件(厚度30 mm 、直徑 70 mm)。圖2為水泥基試件斷面碳纖維分散情況。可以看出，碳纖維以單絲態(tài)均勻分布于水泥基試件斷面。因此，采用6步法可以實(shí)現(xiàn)短切碳纖維在混凝土基體中均勻分散。

圖1 不同類型纖維Fig.1 Different types of fiber

1.3 測試儀器與方法

本試驗(yàn)采用INSTRON-9350落錘試驗(yàn)機(jī)(見圖3)進(jìn)行。錘頭可通過氣動輔助裝置達(dá)到預(yù)定沖速。本試驗(yàn)采用低速沖擊，錘頭自由落體加速，沖擊速度為2.43 m/s。本試驗(yàn)落錘質(zhì)量為30.52 kg，其中包括由配重塊提供的配重30 kg和錘頭，力傳感器及連接支架的質(zhì)量0.52 kg。直徑為20 mm的半球形錘頭與力傳感器連接，錘頭材料為鋼材料。在沖擊過程中，落錘試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過力傳感器記錄落錘錘頭沖擊力時(shí)程，數(shù)據(jù)采集頻率為20 kHz。此外，利用DIC設(shè)備，可以記錄并計(jì)算梁在落錘沖擊下的變形、豎向位移V以及應(yīng)變的水平分量εx。放置于試件梁前的高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，以圖片形式記錄試件的沖擊過程。高速攝像機(jī)曝光速率為10 000幀s-1，高速攝像照片的分辨率為1 280×1 024像素。在試件梁表面噴涂均勻的黑色散斑，以便于用MatchID 2D軟件對高速攝像照片進(jìn)行處理并提取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從梁表面跨中靠近頂端和底端的以“f”和“g”為中心的兩個(gè)方形區(qū)域(10 mm×10 mm)內(nèi)分別提取試件梁相應(yīng)位置處的應(yīng)變水平分量εx(如圖4所示)。其中，“f”和“g”兩點(diǎn)分別距離梁頂端和底端均為5 mm。

圖2 水泥基試件斷面碳纖維分散情況Fig.2 Carbon fiber dispersion of cement-based specimen section

圖3 落錘沖擊試驗(yàn)裝置Fig.3 Drop hammer impact test device

本試驗(yàn)采用的支撐條件為輥式支座提供的簡支梁形式，試驗(yàn)中梁跨度為350 mm。每種工況采用三個(gè)試件以求得可靠的平均值。此外，試驗(yàn)機(jī)錘頭是鋼錘頭。為了避免測得不穩(wěn)定的沖擊力時(shí)程曲線又不過多減小應(yīng)變率，本試驗(yàn)在梁頂面落錘沖擊點(diǎn)處放置橡膠墊塊，厚度為8 mm。鋼材料錘頭直接作用于混凝土梁頂面時(shí)，會激發(fā)更高頻率數(shù)據(jù)值，進(jìn)而出現(xiàn)劇烈震蕩，具有明顯的隨機(jī)性[20]，在梁與錘頭之間放置的剛度較小的材料的阻尼墊塊增強(qiáng)濾波效果，避免激發(fā)高頻率數(shù)據(jù)值。

圖4 DIC所提取數(shù)據(jù)的位置分布示意圖(mm)Fig.4 Position distribution diagram of DIC data (mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

低速沖擊試驗(yàn)后，不同類型纖維混凝土梁的破壞形態(tài)如圖5所示。由圖5可知，落錘沖擊載荷作用下，PC和各纖維混凝土梁均形成一條幾乎呈豎向的主裂縫，試件整體呈現(xiàn)彎曲破壞。其中，BFRC梁主裂縫衍生出新的分叉支裂縫，見圖5(d)。

圖5 各混凝土梁破壞形態(tài)Fig.5 Damage form of each concrete beam

2.2 錘頭沖擊力、位移及應(yīng)變時(shí)程曲線

圖6為不同纖維混凝土梁的錘頭沖擊力時(shí)程曲線。可見，各混凝土梁的錘頭沖擊力在達(dá)到峰值之前均出現(xiàn)一個(gè)小波峰，這是由于本文采用的橡膠墊塊具有阻尼效應(yīng)[21-23]，從而降低加載速率。

由圖6可知，纖維混凝土梁的沖擊力達(dá)到峰值的時(shí)間及其持續(xù)時(shí)間均長于PC梁。如表4所示，PC梁的沖擊力峰值最大，為22.2 kN。CFRC梁的沖擊力峰值為纖維混凝土梁中最大，為21.9 kN，與PC梁的沖擊力峰值更接近。另外，結(jié)合圖6的各曲線上升段來看，PC梁和CFRC梁的剛度較接近，且大于GFRC梁和BFRC梁的剛度。因此，摻入玄武巖纖維和玻璃纖維會降低混凝土梁的剛度，但碳纖維對混凝土梁的剛度影響不大。

圖6 各纖維混凝土的錘頭沖擊力Pt時(shí)程曲線Fig.6 The hammer impact force Pt time-history curve of each fiber concrete

表4 試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖7為不同纖維混凝土梁的跨中豎向位移時(shí)程曲線，并給出了位移最大值(錘頭沖擊力結(jié)束時(shí)刻的位移值)。在沖擊過程的初期(0.5 ms以前)，CFRC梁的豎向位移增加速率明顯大于其他工況。并且直到2.3 ms，CFRC梁的豎向位移都大于其他工況。1 ms之后，PC梁的豎向位移就明顯小于各纖維混凝土梁。2.3 ms之后，GFRC梁的豎向位移顯著增加，在3 ms時(shí)達(dá)到最大值。整個(gè)沖擊過程中，CFRC梁和BFRC梁的豎向位移接近。如表3所示，GFRC梁的豎向位移最大值高于其他工況，為6.9 mm，約為PC梁的1.6倍。CFRC梁和BFRC梁的豎向位移最大值較為接近。由此可知，相比于碳纖維和玄武巖纖維，玻璃纖維對混凝土梁的位移提高程度最大。

圖7 各纖維混凝土的跨中豎向位移時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curves of mid-span vertical displacement of each fiber reinforced concrete

圖8為不同纖維混凝土梁的應(yīng)變時(shí)程曲線，其中圖8(a)為“f”測點(diǎn)處的應(yīng)變時(shí)程曲線，圖8(b)為“g”測點(diǎn)處的應(yīng)變時(shí)程曲線，圖中拉應(yīng)變?yōu)檎担瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)值。梁的拉應(yīng)變水平分量從“g”測點(diǎn)處提取、壓應(yīng)變水平分量從“f”測點(diǎn)處提取。可知，在沖擊過程初期(0.5 ms之前)，梁呈現(xiàn)上壓下拉的受力狀態(tài)，各工況的拉、壓應(yīng)變接近，但PC梁的壓應(yīng)變小于纖維混凝土梁。之后，各個(gè)試件梁的拉應(yīng)變達(dá)到各自的極限拉應(yīng)變，即梁底部出現(xiàn)裂縫。表3給出了各工況試件梁的極限拉應(yīng)變。可見，所有工況的極限拉應(yīng)變無明顯差異，均在2×10-4左右。此外，在壓應(yīng)變增加階段(0.5～1.6 ms)，CFRC梁和BFRC梁的壓應(yīng)變明顯低于PC梁和GFRC梁，其中CFRC梁的壓應(yīng)變增加最少。

2.3 破壞機(jī)理

為了分析各纖維混凝土在沖擊載荷作用下的破壞機(jī)理，各纖維混凝土梁在沖擊作用下的動態(tài)力學(xué)參數(shù)(錘頭力、加速度、應(yīng)變等)，如圖9所示。其中，拉應(yīng)變?yōu)檎担瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)值，加速度正值代表方向向下。加速度由試件梁的跨中豎向位移對時(shí)間求二階導(dǎo)得到。

由圖9可知，沖擊作用下梁的破壞過程可以分為三個(gè)階段(分別對應(yīng)圖中兩條豎線劃分的三個(gè)部分)。第一階段，試件梁剛受到?jīng)_擊時(shí)，沖擊力開始增加，但由于橡膠墊塊的阻尼作用，沖擊力不會馬上達(dá)到峰值而是先增加后放緩，產(chǎn)生小波峰。此時(shí)，試件梁呈上壓下拉的彎曲受力狀態(tài)，拉、壓應(yīng)變對稱增加。由于沖擊力的作用，梁跨中的加速度開始急劇上升至峰值。該階段為試件梁的變形階段，并未出現(xiàn)裂縫，錘頭沖擊力做功主要貢獻(xiàn)于增加試件梁的動能。第二階段，當(dāng)加速度進(jìn)入下降段而錘頭沖擊力繼續(xù)增加時(shí)，試件梁底部超過極限拉應(yīng)變(對應(yīng)圖9“i”點(diǎn))，開始起裂。壓應(yīng)變迅速增加至峰值，裂紋由梁底向上擴(kuò)展，同時(shí)，中性軸逐漸上移。直到裂紋擴(kuò)展至梁頂部受壓區(qū)，壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變并超過極限拉應(yīng)變(對應(yīng)圖9“ii”點(diǎn))。該階段，為試件梁的裂縫發(fā)展階段。由于橡膠墊塊降低了應(yīng)變率，錘頭沖擊力做功主要貢獻(xiàn)于試件梁的斷裂，加速度經(jīng)歷下降階段后并未出現(xiàn)負(fù)向峰值，而是在零值附近小幅波動。第三階段，試件梁裂縫貫穿，沖擊力迅速下降至零值，結(jié)構(gòu)破壞。

圖8 各纖維混凝土的拉、壓應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.8 Tensile and compressive strain time-history curves of each fiber concrete

2.4 等效變形力及斷裂耗能

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，試件梁所受到的錘頭沖擊力、支座反力與慣性力是一組平衡力。Bentur等[24]提出“等效靜態(tài)系統(tǒng)”分析法，并證明了試件梁彎曲失效時(shí)該方法的有效性。落錘沖擊試驗(yàn)中，力傳感器測得的錘頭力Pt包含了兩部分，即等效變形力Pd(與支座反力相平衡并使混凝土梁產(chǎn)生變形與斷裂效應(yīng))與等效慣性力Pi(與分布于全梁的慣性力相平衡并使混凝土梁產(chǎn)生加速度效應(yīng))。三者的關(guān)系為

Pt(t)=Pi(t)+Pd(t)

(1)

式中：Pt為錘頭力傳感器測得的錘頭力；Pi為等效慣性力；Pd為等效變形力。

圖9 各纖維混凝土的時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curves of each fiber concrete

本試驗(yàn)PC和各纖維混凝土梁均為彎曲破壞，而非剪切破壞，因此可以采用“等效靜態(tài)系統(tǒng)”分析法。

各工況試件梁均為無筋梁，故符合加速度沿梁呈線性分布的計(jì)算方法。因此等效慣性力Pi的計(jì)算公式為

(2)

式中：ρ為試件梁密度；A為梁截面積；a0為梁跨中加速度；l為梁跨度；h為支座至梁最近一端的距離。圖10為不同纖維混凝土梁的錘頭沖擊力和等效慣性力時(shí)程曲線，圖中錘頭沖擊力Pt與等效慣性力Pi的正值代表方向向下，而慣性力與等效慣性力大小相等方向相反。可見，Pi的第一個(gè)正向峰值與Pt的小波峰基本相等，之后的Pi數(shù)值下降至接近零值，并未出現(xiàn)明顯的負(fù)向峰值。在約1.5 ms之后，各個(gè)工況的Pi在零值附近波動，且幅度微小。因此，可以在計(jì)算等效變形力Pd時(shí)忽略該部分的Pi，只考慮沖擊過程初期的Pi第一正向峰值。

圖10 錘頭沖擊力Pt和等效慣性力Pi時(shí)程曲線Fig.10 Time-history curves of hammer impact force Pt and equivalent inertia force Pi

此外，在落錘沖擊試驗(yàn)中，與采用鋼墊板的試件梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比，本文采用的橡膠墊塊顯著降低了慣性力，且導(dǎo)致各試件梁的Pt時(shí)程曲線上升段出現(xiàn)小波峰。許斌等[25]通過對鋼筋混凝土深梁(凈跨為1 860 mm，截面尺寸為170 mm×620 mm)抗沖擊試驗(yàn)研究，得到典型的沖擊力、支座反力與慣性力時(shí)程曲線，如圖11所示。其中，沖擊力的正值代表方向向下，慣性力和支座反力的正值代表方向向上。同時(shí)，該試驗(yàn)采用鋼墊板置于梁頂面的沖擊點(diǎn)位，慣性力在第一個(gè)正向峰值之后出現(xiàn)較大的第二個(gè)負(fù)向峰值。沖擊力時(shí)程曲線并未出現(xiàn)小波峰。與慣性力的第一個(gè)正向峰值平衡的錘頭沖擊力主要使梁產(chǎn)生加速度，慣性力的第二個(gè)負(fù)向峰值與支座反力基本平衡。而對于圖10，Pt時(shí)程曲線出現(xiàn)小波峰。Pi的第一個(gè)正向峰值與Pt的小波峰基本相等。之后，Pi數(shù)值下降至接近零值，并未出現(xiàn)明顯的負(fù)向峰值，說明與鋼墊板相比，本文采用的橡膠墊塊具有一定的阻尼作用，會降低加載速率，一方面導(dǎo)致各試件梁的Pt時(shí)程曲線持續(xù)時(shí)間增加(Pi數(shù)值下降至接近零值后Pt并未結(jié)束)，另一方面顯著降低了沖擊過程中的慣性力(相應(yīng)地，Pi低于Pt最大峰值，Pi與Pt的小波峰基本相等)，慣性力未出現(xiàn)第二個(gè)負(fù)向峰值。因此，曲線上升段出現(xiàn)小波峰，且該段沖擊力主要使梁產(chǎn)生加速度。

圖12為各纖維混凝土梁的等效變形力-跨中豎向位移曲線。曲線包圍的面積為等效變形力做的功，即試件梁斷裂消耗的能量，如圖13所示。可見，GFRC梁斷裂消耗的能量最多，約為76.9 J，相比于PC梁提高了88%左右。CFRC梁和BFRC梁消耗的能量分別相對于PC梁提高了43%和18%。玻璃纖維對混凝土梁斷裂耗能提高程度約為碳纖維和玄武巖纖維的2倍和5倍。如表3所示，GFRC梁的沖擊能量與斷裂耗能的比值最大，約為0.85。

圖11 沖擊力、支座反力與慣性力時(shí)程曲線比較Fig.11 Comparison of time-history curves of impact force, support reaction force and inertia force

圖12 等效變形力-位移曲線Fig.12 Equivalent deformation force displacement curve

圖13 各試件梁斷裂所消耗能量對比Fig.13 Comparison of energy consumption for fracture of beams

3 結(jié) 論

在工程應(yīng)用中，各類型纖維的獨(dú)特特征使其在極端環(huán)境下具備應(yīng)用優(yōu)勢，CFRC的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能衍生出智能混凝土的諸多功能性，GFRC具有較強(qiáng)的耐堿抗腐蝕性，BFRC則具有成本低廉特性；另一方面，對于纖維增強(qiáng)混凝土在低速沖擊下對動態(tài)彎曲韌性的力學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)的研究較為缺乏。基于此，本研究普通混凝土梁及三種短切纖維混凝土梁(體積摻量均為0.30%)進(jìn)行了低速沖擊試驗(yàn)。通過對比分析了四種混凝土梁的破壞形式、錘頭沖擊力、跨中豎向位移，拉壓應(yīng)變、慣性力以及斷裂耗能，得出三點(diǎn)結(jié)論，以期對不同類型混凝土在環(huán)境-動態(tài)力耦合作用下的工程應(yīng)用提供參考：

(1)各試件梁的破壞形態(tài)均為典型的彎曲破壞，均形成一條豎向主貫穿裂縫。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，低速沖擊作用下混凝土梁的破壞過程可以分為三個(gè)階段——第一階段為試件梁的變形階段，并未出現(xiàn)裂縫，錘頭沖擊力做功主要貢獻(xiàn)于增加試件梁的動能；第二階段為試件梁的裂縫發(fā)展階段，錘頭沖擊力做功主要貢獻(xiàn)于試件梁的斷裂，加速度經(jīng)歷下降階段后在零值附近小幅波動；第三階段，試件梁裂縫貫穿，沖擊力迅速下降至零值，結(jié)構(gòu)破壞。

(2)摻入玄武巖纖維和玻璃纖維會降低混凝土梁的剛度，但碳纖維對混凝土梁的剛度未見顯著影響；柔性纖維的摻入導(dǎo)致混凝土梁的動態(tài)峰值力有所降低，相比同強(qiáng)度的PC梁，CFRC梁峰值力降低2%，BFRC梁與GFRC梁峰值力降低13%；柔性纖維的摻入可大大增加混凝土梁破壞時(shí)的最大跨中位移，與PC梁的最大峰值位移相比，BFRC梁、CFRC梁與GFRC梁的最大位移分別提升22%，25%與41%，三者的區(qū)別源于纖維絲缺陷以及與混凝土間的黏結(jié)性能，對于須嚴(yán)格控制跨中峰值位移的受彎構(gòu)件，采用BFRC與CFRC為宜。

(3)GFRC梁斷裂消耗的能量最多，相比于PC梁提高了88 %；CFRC梁和BFRC梁消耗的能量分別相對于PC梁提高了43%和18%；玻璃纖維對混凝土梁斷裂耗能提高程度約為碳纖維和玄武巖纖維的2倍和5倍；GFRC梁、CFRC梁與BFRC梁中，斷裂耗能與沖擊能量的比值分別為0.85，0.65和0.54。