CN104833594A - 基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，包括混凝土试件、应变片、数据采集仪，主要特点是：通过应变片和数据采集仪采集得到混凝土试件上的波形图；运用一维弹性波理论计算得出各组应变片所在位置的应力；将所得应力通过结合波的衰减系数公式计算得出衰减系数；通过衰减系数和所测得的断裂位置的距离求得断裂位置处的应力大小；通过公式得到平均应变率；最终得到混凝土轴心抗拉应力与应变率之间的关系。本发明适用范围广，试验可行性好，不局限于在试件和霍普金森压杆阻抗近似相同的理想化情况下使用，不用控制试件的断裂处位于中部依然可以计算出时间断裂处的应力大小。

Description

基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法

技术领域

本发明涉及混凝土轴动态拉伸断裂试验方法，特别是涉及一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法。

背景技术

在当前工程界以及力学界，对于非均质、多向性材料的性能研究已经成为了一大热点，其中，对混凝土结构的研究尤其受到广泛关注。在自然环境中，混凝土结构除了受到静荷载以外，台风、地震等自然灾害以及车祸等交通事故也往往对混凝土结构产生冲击荷载，使混凝土以高应变率变形，从而产生与平时静态情况下不一样的性能。

对于混凝土结构的动态拉伸断裂破坏，由于一维应变条件下的动态拉伸断裂方法是一种最简单、最重要的试验方法，而且在试验操作和理论分析上都比较容易实现，所以，人们始终把一维应变条件下混凝土结构的动态轴心拉断裂试验作为该领域中的主要内容进行研究。

专利CN200910096004.3，公开了一种基于霍普金森原理的一维层裂拉伸试验方法，该方法利用霍普金森压杆对试件施加冲击力，在霍普金森压杆与混凝土试件阻抗接近的情况下，以入射杆中的应力波代替试件的应力波，并通过控制试件的长度使拉伸断裂近似发生在试件中部位置，从而保证试件截面上的应力均匀化，并通过入射杆上的应变片测量计算入射杆应变，将其近似看作混凝土试件断裂时的应变，最终得出混凝土的动态抗拉强度。该试验方法的缺陷在于，将混凝土试件和霍普金森压杆阻抗看作相同，且断裂位置仅在试件中部，适用范围小，试验具有很大的局限性。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，不局限于试件和霍普金森压杆阻抗近似相同的理想化情况，不必控制断裂处位于试件中部依然可以计算出试件断裂处的应力大小，适用范围广，试验可行性好。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，采用霍普金森压杆进行混凝土轴的动态拉伸断裂试验，包括混凝土轴试件、入射杆、子弹，数据采集仪，所述的入射杆的撞击面与所述的子弹的截面直径相等；所述的试件距离撞击端处上设置有数对应变片；试验时，将所述的入射杆一端的垂直端面与所述的试件一端的垂直端面紧密结合；所述的数据采集仪记录试件中传导的入射波、透射波以及反射波；所述的子弹以一定的冲击力和撞击速度来撞击所述的入射杆，所产生的冲击波传递到所述的试件上使其发生拉伸断裂，其特征在于：该试验方法包括以下计算过程：

(1)首先求出试验中得到波的传播速度并由此推导出动态弹性模量E_d＝ρc²；

(2)通过所述应变片测得的波形图，运用一维弹性波理论先求出位移：u(x,t)＝f(x-ct)+g(x+ct)，接着导出应变量再将应变量乘以动态弹性模量：σ(x,t)＝E[f′(x-ct)+g′(x+ct)]，最终计算出所述各应变片所在位置的应力值σ，

其中，u为位移，t为时间，x为沿波速方向的坐标，c为波速，f为x正向波，g为x负向波，E为动态弹性模量；

(3)通过公式计算应力波衰减系数，此等式积分后可化为σ＝σ₀e^-αx，从而得到应力衰减公式；通过测量第一处拉伸断裂处的位置测得x，进而通过上述公式计算出断裂处的应力值；

(4)通过公式得出断裂处的平均应变率，其中，为平均应变率，σ_s为在断裂位置的最大拉伸波，E_d为动态弹模，Δt为在试件上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻经历的时间。

所述的子弹由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。

所述的入射杆由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。

所述的子弹在一个加压气枪的冲击下，以9m/s的撞击速度来撞击所述的入射杆。

所述的入射杆的尺寸为：长3200mm，垂直面一端直径为74mm，撞击面一端的直径为37mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

该发明不局限于试件和霍普金森压杆入射杆阻抗近似相同的理想化情况，适用范围更为广泛，同时考虑了波在混凝土中的分散和衰减，运用应力衰减公式可以求出试件任意位置的应力的大小，因此不必控制断裂处位于试件中部依然可以计算出试件断裂处的应力大小，由此推算出混凝土的轴心抗拉强度以及应变率，计算结果更为精确。

附图说明

图1是本发明所述试验方法的流程图。

图2是本发明所述试验方法中子弹、入射杆和试件安装示意图。其中，10混凝土试件，11试件自由端，20入射杆，30子弹，40应变片，50桥盒，60数据采集仪。

图3是本发明所述试验方法中的波在试件内部衰减形式图。

图4是本发明所述的试件自由端附近轴拉应力分布图。

图5是本发明所述的试件所受应力与试件截面位置关系的示意图，Δt为在试件上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻经历的时间。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，如图1所示，采用霍普金森压杆进行混凝土轴的动态拉伸断裂试验，包括混凝土轴试件(10)、入射杆(20)、子弹(30)，数据采集仪(60)，所述的入射杆(20)的撞击面与所述的子弹(30)的截面直径相等；所述的试件(10)距离撞击端处上设置有数对应变片(40)；所述的各对应变片(40)分别与一个桥盒(50)相串联；试验时，将所述的入射杆(20)一端的垂直端面与所述的试件(10)一端的垂直端面紧密结合；所述的数据采集仪(60)记录试件(10)中传导的入射波、透射波以及反射波；所述的子弹(30)以一定的冲击力和撞击速度来撞击所述的入射杆(20)，所产生的冲击波传递到所述的试件(10)上使其发生拉伸断裂，其特征在于：该试验方法包括以下计算过程：

(1)首先求出试验中得到波的传播速度并由此推导出动态弹性模量E_d＝ρc²；

(2)通过所述应变片(40)测得的波形图，运用一维弹性波理论先求出位移：u(x,t)＝f(x-ct)+g(x+ct)，接着导出应变量再将应变量乘以动态弹性模量：σ(x,t)＝E[f′(x-ct)+g′(x+ct)]，最终计算出所述各应变片(40)所在位置的应力值σ，

其中，u为位移，t为时间，x为沿波速方向的坐标，c为波速，f为x正向波，g为x负向波，E为动态弹性模量；

(3)通过图3所示的a，b，c三个点采集数据，通过公式计算应力波衰减系数，此等式积分后可化为σ＝σ₀e^-αx，从而得到应力衰减公式；如图4所示，通过测量第一处拉伸断裂处的位置测得x，进而通过上述公式计算出断裂处的应力值；

(4)通过公式得出断裂处的平均应变率，其中，为平均应变率，σ_s为在断裂位置的最大拉伸波，E_d为动态弹模，Δt为在试件(10)上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻经历的时间。

所述的子弹(30)由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。

所述的入射杆(20)由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3，所述的入射杆(20)的尺寸为：长3200mm，垂直面一端直径为74mm，撞击面一端的直径为37mm。

应变片(40)安置在试件靠近入射杆端的一侧，6块应变片(40)分3组)三个特殊的位置被对称地粘在试件表面来记录波的整个传播过程。三组应变片(40)和到撞击面之间的距离分别是100mm、200mm、300mm。

在试验中，给气枪加压，对子弹(30)加以一定的冲击力，使其以9m/s的撞击速度来撞击入射杆20，从而一定的冲击波，冲击波传递到杆状试件(10)上，入射压缩波与试件自由端(11)上反射的反射拉伸波相叠加产生张应力，在最大张应力处试件(10)发生拉伸断裂。

本发明所述试验方法的原理为：子弹撞击入射杆时产生了纵向的入射压缩波，接着入射波传入混凝土试件。由于不同的阻抗，入射波的一小部分被反射回入射杆。通过试件的自由端时传入试件的压缩波反射形成反射拉伸波。在一个位于自由端固定距离的特定位置，这两种波的叠加产生了一个最大的张应力。很明显，如果最大的张应力大于等于动态拉伸强度，在混凝土试件中破裂就会发生。

该试验中，为了方便区分压缩波和拉伸波，应变片安置在试件一侧，靠近入射杆，并且根据波长来调整其安置的位置以确保数据采集仪清晰地记录试件中传导的入射波、透射波以及反射波。六块应变片分成三组被对称地粘在试件表面的三个特殊的位置来记录波的整个传播过程。

Claims (5)

1.一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，采用霍普金森压杆进行混凝土轴的动态拉伸断裂试验，包括混凝土轴试件(10)、入射杆(20)、子弹(30)，数据采集仪(60)，所述的入射杆(20)的撞击面与所述的子弹(30)的截面直径相等；所述的试件(10)距离撞击端处上设置有数对应变片(40)；试验时，将所述的入射杆(20)一端的垂直端面与所述的试件(10)一端的垂直端面紧密结合；所述的数据采集仪(60)记录试件(10)中传导的入射波、透射波以及反射波；所述的子弹(30)以一定的冲击力和撞击速度来撞击所述的入射杆(20)，所产生的冲击波传递到所述的试件(10)上使其发生拉伸断裂，其特征在于：该试验方法包括以下计算过程：

(1)首先求出试验中得到波的传播速度并由此推导出动态弹性模量E_d＝ρc²；

(2)通过所述应变片(40)测得的波形图，运用一维弹性波理论先求出位移：u(x,t)＝f(x-ct)+g(x+ct)，接着导出应变量 $\mathrm{\ϵ}(x,t)=\∂u(x,t)/\∂x=f^{\′}(x-\mathrm{ct})-g^{\′}(x+\mathrm{ct}),$ 再将应变量乘以动态弹性模量：σ(x,t)＝E[f′(x-ct)+g′(x+ct)]，最终计算出所述各应变片(40)所在位置的应力值σ，

其中，u为位移，t为时间，x为沿波速方向的坐标，c为波速，f为x正向波，g为x负向波，E为动态弹性模量；

(3)通过公式计算应力波衰减系数，此等式积分后可化为σ＝σ₀e^-αx，从而得到应力衰减公式；通过测量第一处拉伸断裂处的位置测得x，进而通过上述公式计算出断裂处的应力值；

(4)通过公式得出断裂处的平均应变率，其中，为平均应变率，σ_s为在断裂位置的最大拉伸波，E_d为动态弹模，Δt为在试件(10)上的拉伸应力发生的时刻到破坏时刻经历的时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，其特征在于：所述的子弹(30)由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。

3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，其特征在于：所述的入射杆(20)由48CrMoA圆钢制成，其杨氏模量210GPa，密度7850kg/m3。

4.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，其特征在于：所述的子弹(30)在一个加压气枪的冲击下，以9m/s的撞击速度来撞击所述的入射杆(20)。

5.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，其特征在于：所述的入射杆(20)的尺寸为：长3200mm，垂直面一端直径为74mm，撞击面一端的直径为37mm。