冲击荷载下钢纤维混凝土动态本构关系研究

来源 :昆明民族干部学院学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hongniba3493
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  【摘要】本文采用Φ75mm大口径SHPB系统分别进行了钢纤维体积率分别为0%、0.75%、1.5%的三种混凝土材料动态实验,得出不同钢纤维含量、不同应变率下的应力-应变关系曲线。其次,在朱-王-唐(ZWT)非线性粘弹性本构模型的基础上,提出了一种依赖于应变、应变率、材料强度影响因子、钢纤维含量影响因子的混凝土材料动态本构模型,通过与实验曲线的模拟,得到相应的材料参数,拟合结果表明采用该本构模型与实验数据吻合较好。
  【关键词】钢纤维混凝土;SHPB;应变率效应;动态本构关系
  1、引言
  在混凝土中添加钢纤维能够抑制裂纹的产生及扩展,因此钢纤维混凝土材料具有耐疲劳、高韧性、高抗拉强度等力学性能,目前钢纤维混凝土已广泛应用于民用及军事上,其动态力学性能的研究更是受到国内外学者的关注。近年来,国内学者普遍将SHPB和Hopkinson压杆装置应用于混凝土动态力学性能实验研究。
  考虑到钢纤维混凝土性质与普通混凝土不同,本文采用Φ75mm大口径SHPB系统进行了动态冲击压缩实验,研究了应变率对材料力学特性的影响,分析了钢纤维体积率对混凝土抗压强度和破坏特性的影响,进行了体积率分别为0%、0.75%和1.5%三种钢纤维混凝土试件的动态SHPB实验,得到不同应变率下的材料应力-应变曲线。并在朱-王-唐(ZWT)非线性粘弹性本构模型的基础上,提出了一种依赖于应变、应变率、材料强度影响因子、钢纤维含量影响因子的混凝土材料动态本构模型,通过试验曲线模拟,结果表明,采用该本构关系可与实验结果较好的拟合。
  2、 动态力学性能的试验研究
  本试验选用赣州大业金属纤维有限公司生产的0213型微纤维,纤维直径d=0.2mm,长度l=15mm,长径比l/d=75;合肥海螺水泥厂生产的PO425普通硅酸水泥;粗骨料为洁净连续粒级碎石,最大粒径10mm;细骨料为河砂,细度模数约2.3;SM高效减水剂;普通自来水。SHPB 试验的试件尺寸为φ71mm×36mm,标准养护28天,试验时混凝土龄期达到80天。三种不同钢纤维体积率的混凝土配合比见表1。
  应用三波校核法处理SHPB实验数据,作出相应工程应力-应变曲线并计算峰值附近的平均应变率,获得不同钢纤维含量和应变率下的应力-应变曲线(图1)。由图1可知,钢纤维混凝土材料峰值应力和弹性模量随着应变率的增加而提高;应变随着钢纤维含量的增加而增大。
  采用线性拟合,并采用(3)式对其它实验曲线进行拟合,拟合参数:钢纤维含量为0时,=2.16,=2.26;钢纤维含量为0.75%时,=-1.53,=5.86;钢纤维含量为0时,=3.66,=0.96。在此基础上最终得到材料强度影响因子,钢纤维含量影响因子拟合曲线(如图4所示)。
  在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,对其进行了一定的改进,并参考HJC本构中关于应变率相关系数的定义,引入应变率效应,提出修改后的本构模型,并通过拟合得到相关参数,以上拟合所得的本构方程能较好地描述我们所研究的钢纤维混凝土材料动态力学性能。
  4、结论
  通过试验得到了不同钢纤维含量、不同应变率下的钢纤维混凝土材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:钢纤维混凝土材料峰值应力和弹性模量随着应变率的增加而提高;钢纤维含量对应变产生影响, 随着含量的增加而增大。基于HJC本构中关于应变率效应的定义,在朱-王-唐(ZWT)非线性粘弹性本构模型的基础上,提出了一种依赖于应变、应变率、强度影响因子、钢纤维含量影响因子的混凝土材料动态本构模型,通过与实验曲线的模拟,得到相应的材料参数,拟合结果表明采用该本构模型与实验数据吻合较好。
  参考文献:
  [1]范飞林,许金余,李志武,苏灏扬,任韦波. 高温下混凝土动态力学特性试验[J].材料热处理学报, 2012,33(3):22-27
  [2]赵碧华,刘永胜.超短钢纤维混凝土的SHPB试验研究[J].混凝土,2007,8:55-57
  [3]周风华,陈亮.SHPB实验中粘弹性试件内部应力波的传播[J].固体力学学报,2010,31(2):149-156
  [4]Du Xiu-Li, Dou Guo-Qin, Li Liang, Tian Yu-Dong. Experimental study on dynamic mechanical properties of fiber reinforced high strength concrete[C]. Gong cheng Lixue / Engineering Mechanics. 2011, 28: 138-144
  作者簡介:
  张劼,1979年,女,安徽合肥人,硕士,讲师,从事建筑材料研究。
  基金项目:
  地方高校国家级大学生创新创业训练计划(编号:201212216006;201312216010)
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