CN203616217U - 一种测量混凝土层裂强度的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种测量混凝土层裂强度的实验装置，是由：撞击杆1、霍普金森杆2、霍普金森杆应变计3、细长混凝土试件应变计4、细长混凝土试件5、透射杆应变计6、透射杆7和缓冲装置8构成。用软材料透射杆取代普通的分离式霍普金森压杆中的透射杆，同时采用细长杆状试件。撞击杆撞击霍普金森杆所产生的压缩波对试件轴向冲击压缩加载，压缩波传播到透射杆和试件接触面时，由于透射杆材料波阻抗小于试件，加载压缩波反射为拉伸波使试件产生层裂破坏，层裂过程中所形成的压缩波会传播到透射杆，通过测量透射杆上应变波形可以得到材料层裂强度。

Description

一种测量混凝土层裂强度的实验装置

技术领域

本实用新型涉及脆性材料层裂强度测量的实验装置，尤其是一种测量混凝土层裂强度的实验装置。

背景技术

混凝土材料是最常用的建筑材料，在军用和民用领域得到广泛应用。由于其抗拉强度低，一般不能用于承受拉伸载荷作用的部件。但在爆炸和冲击等强动载作用时，爆炸和冲击所产生的压缩载荷以应力波的方式在混凝土内传播，传播到自由面时会反射成拉伸波，由于混凝土的抗拉强度低，其易于在反射拉伸波的作用下产生层裂破坏。层裂破坏不仅会对混凝土结构本身产生破坏，层裂破坏所形成的高速痂片也会对结构内人员和设备产生毁伤。

由于混凝土材料的极度非均匀性，利用气炮发射飞片的平板撞击实验需要大口径的气炮，从而限制了该实验技术的推广应用。由于混凝土抗拉强度低，可以利用大直径霍普金森杆对混凝土细长杆件进行轴向冲击压缩加载，压缩波在试件自由面反射成拉伸波即可产生层裂破坏。但如何测量层裂强度却一直是难以克服的难题。目前常用的方法有如下几种：一种方法是测量对试件的压缩加载波，根据线弹性假设，得到不同时刻试件内部拉伸应力分布，再根据最大拉应力强度准则的假定，认为层裂破坏位置对应的最大拉伸应力即为材料的层裂强度。该方法所采用的线弹性假定和最大拉应力强度准则假定与实际情况有较大出入，而且如果试件发生多次层裂，就需要利用高速摄影获得第一次层裂的位置。另一种方法是利用激光干涉测速技术(VISAR)测量试件自由面速度波形，通过速度波形得到层裂强度。对于均匀性好的材料，这种技术比较可行。而对于极端非均匀的混凝土材料，镀膜技术以及激光干涉测速技术的测量精度限制了该技术的推广应用。

发明内容

本实用新型为了解决霍普金森杆混凝土层裂实验中层裂强度测量的难题，设计了一种实验装置，用软材料透射杆取代普通的分离式霍普金森压杆中的透射杆，同时采用细长杆状试件。撞击杆撞击霍普金森杆所产生的压缩波对试件轴向冲击压缩加载，压缩波传播到透射杆和试件接触面时，由于透射杆材料波阻抗小于试件，加载压缩波反射为拉伸波使试件产生层裂破坏。层裂过程中所形成的压缩波会传播到透射杆，通过测量透射杆上应变波形可以得到材料层裂强度。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：一种测量混凝土层裂强度的实验装置，是由：撞击杆1、霍普金森杆2、霍普金森杆应变计3、细长混凝土试件应变计4、细长混凝土试件5、透射杆应变计6、透射杆7和缓冲装置8构成。撞击杆1同轴位于霍普金森杆2左侧，细长混凝土试件5位于霍普金森杆2和透射杆7之间，透射杆7后面为缓冲装置8。所述撞击杆1为变截面撞击杆，使其撞击霍普金森杆2时能产生准三角波或者准正弦波。所述霍普金森杆2上设置有应变计，所述细长混凝土试件5上设置有应变计，细长混凝土试件5的长度和弹性纵波波速之比要大于撞击杆1，即满足：L_s／C_s>L_p／C_p(其中L_s和L_p分别为试件和撞击杆长度，C_s和C_p分别为试件材料和撞击杆材料的弹性纵波波速)。所述透射杆7为尼龙材料，(也可为有机玻璃或其他波阻抗小于试件材料的粘弹性材料)上面设置有多个应变计。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图

图2是本实用新型撞击杆形状图

图中：撞击杆-1、霍普金森杆-2、霍普金森杆应变计-3、细长混凝土试件应变计-4、细长混凝土试件-5、透射杆应变计-6、透射杆-7、缓冲装置-8

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明

图1中：通过高压气炮或者其他气动装置发射撞击杆以一定速度同轴撞击霍普金森杆。撞击所产生的压缩波通过霍普金森杆传递到试件，再由试件传递到透射杆，欲使试件产生层裂破坏，就要求透射杆的波阻抗小于试件的波阻抗，从而应力波在试件和透射杆接触面能反射成拉伸波，这样才能产生层裂破坏，但一般线弹性的金属材料的波阻抗都大于混凝土，所以选用尼龙材料为透射杆，以满足波阻抗小于混凝土。但尼龙为粘弹性材料，应力波在其中传播时会产生弥散和衰减，应变计测量位置的应力波形与试件和透射杆接触面的压力波形并不相同。通过多点应变测量可以获取应力波的变化规律，反推到接触面从而得到接触面压力的最大值和最小值，得到材料的层裂强度。通过实验测定霍普金森杆上应变计、透射杆上应变计数据，可得出透射杆上的应力波的最大值σ_max和最小值σ_min，以确定层裂强度σ_F，即 ${\mathrm{\σ}}_F=\frac{1}{2}[({\mathrm{\σ}}_{\max }+{\mathrm{\σ}}_{\min })-\frac{{\left(\mathrm{\ρc}\right)}_s}{{\left(\mathrm{\ρc}\right)}_b}({\mathrm{\σ}}_{\max }-{\mathrm{\σ}}_{\min })].$

其中：(ρc)_s和(ρc)_b分别为试件和透射杆材料的波阻抗。

以上为本实用新型优选方式，以此原理采用其他波阻抗小于试件的材料，作为透射杆的，均属于本实用新型保护范围。

Claims (4)

1.一种测量混凝土层裂强度的实验装置，是由：撞击杆(1)、霍普金森杆(2)、霍普金森杆应变计(3)、细长混凝土试件应变计(4)、细长混凝土试件(5)、透射杆应变计(6)、透射杆(7)和缓冲装置(8)构成；其特征在于：撞击杆(1)同轴位于霍普金森杆(2)左侧，细长混凝土试件(5)位于霍普金森杆(2)、透射杆(7)之间，后面为缓冲装置(8)。 

2.根据权利要求1中所述的一种测量混凝土层裂强度的实验装置，其特征在于：所述撞击杆(1)为变截面撞击杆，使其撞击霍普金森杆(2)时能产生准正弦波；所述霍普金森杆(2)上设置有霍普金森杆应变计(3)；所述细长混凝土试件(5)上设置有细长混凝土试件应变计(4)，细长混凝土试件(5)的长度和弹性纵波波速之比要大于撞击杆(1)，即满足：L_s/C_s＞L_p/C_p，其中L_s和L_p分别为试件和撞击杆长度，C_s和C_p分别为试件材料和撞击杆材料的弹性纵波波速；所述透射杆(7)为尼龙材料，上面设置有多个透射杆应变计(6)。 

3.根据权利要求1中所述的一种测量混凝土层裂强度的实验装置，其特征在于：透射杆材料波阻抗小于试件材料，从而应力波在试件和透射杆接触面能反射成拉伸波。 

4.根据权利要求1中所述的一种测量混凝土层裂强度的实验装置，其特征在于：透射杆(7)也可为波阻抗小于试件波阻抗的粘弹性材料。 

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