锥台嵌挤预应力约束混凝土抗冲击性能研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:.基金项目:国家自然科学基金青年基金项目()作者简介:吴远()男硕士研究生通信作者:孙宇雁()女博士副教授:.:./.锥台嵌挤预应力约束混凝土抗冲击性能研究吴 远王子国孙晓晨彭 永孙宇雁(.青岛理工大学 土木工程学院 山东 青岛 .国防科技大学 文理学院 长沙)摘要:钢管混凝土具有优良的抗冲击性能为提高钢管在弹性阶段对混凝土的约束作用设计并制备了锥台嵌挤预应力约束混凝土以实现钢管对混凝土的主动围压约束 采用 高度落锤冲击试验对比了预应力约束混凝土、素混凝土和常规钢环约束混凝土的破坏模式分析了主要参数的影响 结果表明当预应
2、力约束混凝土试件的平均预应力大于 时其产生初始可见裂缝时的冲击能量是素混凝土和钢环约束混凝土的 倍其破坏时的冲击能量远高于素混凝土和钢环约束混凝土甚至超过 倍相比钢环约束混凝土预应力约束混凝土破坏时裂缝更细整体性更好且可以更为显著的提高高强混凝土的抗冲击性能 为有效提高预应力约束混凝土的抗冲击性能钢环的锥面倾角不宜大于 采用正六角形钢环要优于圆形和正四角形钢环 提出的锥台嵌挤预应力约束形式可以用于提高钢管混凝土的抗冲击能力也可应用于防护门面层或遮弹层等结构中关键词:锥台嵌挤预应力约束钢管混凝土落锤冲击本文引用格式:吴远王子国孙晓晨等.锥台嵌挤预应力约束混凝土抗冲击性能研究.兵器装备工程学报()
3、:.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言混凝土是防护工程领域普遍应用的工程材料非战争时期防护工程主要是应对低速冲击但混凝土固有的脆性特点导致在承受冲击荷载时极易发生脆性破坏而丧失防护效能为提高混凝土材料的抗冲击性能国内外学者开展了众多研究 大量研究证实钢管混凝土具有优异的抗冲击性能 通过钢管对核心混凝土提供约束作用使混凝土在受到轴压时即处于三向受压状态极大地提高了构件的承载力及变形能力有效的提高了构件整体稳定性 但是钢管混凝土在受轴压作用初期钢管处于弹性阶段与混凝土间的相互作用较小能够提供的约束作用有限尤其是采用高强混凝土时由于混凝土破坏前变形较小钢管在达到峰值荷
4、载时能提供的约束作用更小 自应力混凝土通过化学反应使混凝土体积膨胀在侧限约束条件下可以增强约束效果但提供的自应力不高且不稳定 谢剑等运用扭力扳手沿着混凝土圆形短柱高度方向安装不同间距的钢箍由此对混凝土圆形短柱施加径向预应力通过轴压实验发现安装预应力钢箍的普通混凝土柱的轴压承载力及变形能力较未施加预应力钢箍约束的混凝土柱分别提高了 和 张素梅等提出了钢管约束的钢管混凝土在传统钢管混凝土柱外侧加套一个大于原钢管直径且小于钢管混凝土柱长度的钢管加套钢管与钢管混凝土柱之间用灌浆料填充在受荷阶段外侧加套钢管只对内部钢管混凝土产生横向约束作用不承受纵向荷载 轴压试验结果表明钢管约束的钢管混凝土较传统钢管混
5、凝土的轴压承载力进一步增强内部钢管混凝土的破坏模式在外侧加套钢管的约束条件下可以由脆性破坏转变为延性破坏 为了提高钢管混凝土的钢材利用率且较简便地对混凝土施加较大预应力王子国等 提出了一种锥台嵌挤预应力约束方法将直径微大于约束钢环的混凝土锥台挤入与之匹配的约束钢环内通过锥面配合契紧的方式对混凝土沿径向施加预应力通过数值模拟证明了该方法能够较为简便地通过调节混凝土锥台的下压深度、盈差以及压入力的大小等指标控制预应力大小且在一定范围内预应力越大钢环约束混凝土靶的抗弹丸高速侵彻性能越好本文中应用王子国等提出的锥台嵌挤预应力约束方法制备预应力约束混凝土通过落锤冲击试验研究其抗冲击性能和破坏模式并与素混
6、凝土和常规钢环约束混凝土对比同时分析不同参数对预应力约束混凝土抗冲击性能的影响规律为后续抗高速冲击性能研究和防护工程实践应用提供参考依据 预应力约束作用原理如图()所示在室温条件下以楔形体契紧的原理将圆形混凝土锥台强行挤入与之锥面配合的约束钢环内实现径向的预应力约束得到圆形构件图 预应力约束混凝土预应力作用原理.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./以同样的原理得到正多边形构件(图()混凝土锥台和约束环的截面设计如图()所示混凝土锥台与约束环内环的横截面形状相同混凝土锥台与约束环内壁的锥面倾角均为 混凝土锥台与约束环的高度均为 混凝土锥台上底面直径与约束环的上底面内径之差(盈差)为 两者在锥面
7、接触时的顶面或者底面的高差为 随着下压推力的增大混凝土锥台逐渐压入约束环内而且压入深度越大约束环的弹性恢复力对混凝土锥台施加的径向预压应力 就越大当两者的上下表面达到齐平时钢环上底面内径扩张了 如图()所示 试验概况.原材料配制混凝土采用山铝 .水泥青岛电厂级粉煤灰青岛中矿宏远 级矿粉河砂细度模数.表观密度 /玄武岩粒径 级配良好表观密度 /水为普通自来水采用苏博特聚羧酸高效减水剂减水率为 约束环采用 号钢实验测得该钢材的屈服强度平均值.极限抗拉强度平均值 平均断裂延伸率为 弹性模量 泊松比 .试件准备约束环采用钢环 加工误差为 .高度为.钢环外侧面垂直于底面底面外直径(或正多边形外对边距)为
8、 依据钢环形状、上底面环厚度、锥面倾角 的大小将钢环分为 种规格如表 所示其中 取自钢环上底面内径或者对边距 每种规格钢环制备 个并在钢环外表面喷涂防锈漆用透明胶带封底钢环内表面涂脱模剂表 约束环规格(制作精度.)(.)编号形状/()试件含钢率/圆.圆.圆.圆.圆.圆.圆.圆.正四角.正六角.配制 种强度等级的混凝土配合比见表 将拌制好的混凝土装入上述钢环内(图()稍振动成型同时制备尺寸为 的抗压强度测试试块和尺寸为 的弹性模量测定试块每组 块 所有试件用保鲜膜覆盖表面在温度为 的实验室环境中养护 后脱模编号(图()然后将混凝土试块移至养护室(相对湿度 图()养护 后取出根据混凝土物理力学性能
9、试验方法标准/测定编号、的混凝土 抗压强度分别为.、.、.静力受压弹性模量分别为 、.表 混凝土配合比(/)编号水水泥砂碎石粉煤灰矿粉减水剂/.图 混凝土锥台的制作与养护.利用上述混凝土锥台试块和钢环模具制作落锤冲击试验试件 经过测量得知混凝土锥台的径向收缩量基本可以忽略 根据约束情况将试件分为 组分别是素混凝土()组、钢环约束混凝土()组、锥台嵌挤预应力约束混凝土()组 其中 组试件是无钢环的混凝土锥台 组试件是将混凝土锥台装入钢环内接触面相互作用力非常小 组试件制作过程如图 所示采用在混凝土锥台的侧面粘贴若干层玻璃纤维布来实现不同的盈差 每层纤维布.厚裁剪成对应于不同锥面倾角的、与混凝土锥
10、台锥面形状相吻合的弧形片(图()每片粘贴后有对接缝(图()因此可以忽略纤维布的约束作用 粘结剂采用环氧树脂 预应力的大小通过应变片测试应变采集仪采用东华吴 远等:锥台嵌挤预应力约束混凝土抗冲击性能研究测试 型静态应变测试系统 应变片的粘贴位置为混凝土锥台上下表面的中心处(图()和()并在钢环外侧面/高度处粘贴环向应变片以监测钢环环向应变(图()在试件的上下表面各垫一块预留沟槽的钢垫板应变片接线穿过沟槽以防止被压断 采用 型压力试验机将混凝土锥台缓慢压入钢环中(图()观察试件压入过程中采集仪的数值变化当混凝土试件下底面应变数值高于 时停止加压待读数趋于稳定后记录混凝土上下表面应变值 取两者平均值
11、作为平均应变依据胡克定律 计算施加在混凝土上的平均预应力值结果见表 图 预应力约束混凝土试件制备.表 锥台嵌挤预应力约束混凝土()组试件实测预应力值()()()编号预应力值.编号预应力值.编号预应力值.注:试件编号中:分别对应表 中混凝土编号 字母后第一组数字 对应表 中的约束环编号第二组数字表示纤维布层数当纤维布层数为 时不标注层数当纤维布层数大于 时标注 混凝土下表面应变超过 钢环应力超过屈服强度混凝土上表面应变片受损.落锤冲击试验自制 落 锤 装 置 如 图 落 锤 呈 圆 柱 状 底 面 直 径.质量 冲击高度 采用竖直的、直径为 的 管作为落锤的导轨 为实现集中荷载作用将直径为.的实
12、心钢球放在试件上表面的中心位置用直径略大于钢球直径的限位套环框住钢球以限制钢球在受冲击时的移动 试件的下部为钢垫板采用 号钢制作厚度为 每次冲击时落锤自由下落不受 管阻碍直接冲击钢球 记录试件出现初始裂缝时的落锤冲击次数为初裂冲击次数 记录试件破坏时对应的冲击次数为终裂冲击次数 试件破坏的表征为:试件冲击面出现一条贯穿裂缝或有至少 条裂缝从试件冲击面的中心发展到边缘或试件底面出现裂缝 按式()计算冲击耗能 试件破坏情况的量测方法如图 所示即测量试件破坏后的冲击面凹坑的最长直径和其垂直方向的直径大小取两者的平均值作为凹坑直径的代表值 量取凹坑最深处距表面的深度作为坑深(精确到 )()式中:为落锤
13、冲击的能量 为落锤的质量 为重力加速度取./为下落的高度 图 落锤装置.图 试件破坏情况的测量.试验结果落锤冲击试验的结果如表 和表 所示试件的破坏形态如图 图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./如表 所示在落锤首次冲击后素混凝土()组的所有试件均破碎成多个碎块即 大部分碎块占原试件体积的/如图()()所示钢环约束混凝土()组的全部试件均在冲击面上出现初始裂缝即 但除了编号为 的一个试件外其他试件均未达到破坏状态如图()()所示此时试件仍然可以继续承受落锤冲击直至破坏 组由于脱模较困难其中一个试件养护 后在脱模过程中损坏无试验数据随着落锤冲击次数增加 组试件冲击面上的裂缝发展迅速多个试
14、件的底部出现了裂缝平均 值为 如图 所示由于钢环的环箍作用 组试件破坏后整体性良好均未发生碎块分散的现象如表 和图()()所示锥台嵌挤预应力约束混凝土()组在经受落锤首次冲击后除了编号为 的 个试件出现了可见裂缝其他试件均表现为:只在冲击点处留有落痕并无肉眼可见的裂缝 随着冲击次数的增加落痕逐渐明显并成为浅坑如图 所示有的试件表面开始出现非常细小的裂缝平均 值为 编号 的试件是 组试件中首先进行落锤冲击试验的试件当冲击次数达到 次时依然没有出现破坏表征即表面没有出现贯穿裂缝、没有 条及以上的裂缝发展至钢环处也没有出现底部裂缝仅在表面成坑如图()和图()所示 由于落锤冲击后采用人力提升方式复位为
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- 锥台嵌挤 预应力 约束 混凝土 冲击 性能 研究
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