對(duì)受強(qiáng)烈攻擊的鋼筋混凝土構(gòu)件中力傳播速度的實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)受強(qiáng)烈攻擊的鋼筋混凝土構(gòu)件中力傳播速度的實(shí)驗(yàn)研究摘要：本文提出的數(shù)據(jù)來自多個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件硬碰撞的沖擊力的傳播速率。實(shí)驗(yàn)證明，在集中的沖擊力產(chǎn)生與力作用于物體之間存在某一有限、可測(cè)的時(shí)間段。本文提出的數(shù)據(jù)顯示了跨度/深度與沖擊點(diǎn)處力的傳播速率之間的明確聯(lián)系，并且表明，這種關(guān)系是非線性的。本文最后討論了這些數(shù)據(jù)是如何與承受沖擊荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞模型有所聯(lián)系的。已經(jīng)有很多作者證明，隨著負(fù)載速度的增加，鋼筋混凝土構(gòu)建會(huì)變得更脆。關(guān)鍵詞：沖擊鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)引文在梁的跨中或柱子上出現(xiàn)沖擊力與構(gòu)件承受該力之間存在某一有限的時(shí)間。在標(biāo)準(zhǔn)的的民用結(jié)構(gòu)中，這一時(shí)間大約是幾毫秒。在對(duì)快速加載情形的研究中，例如爆炸和沖擊荷載，理解在構(gòu)件反應(yīng)的的最初階段發(fā)生了什么對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)這些荷載的反應(yīng)方式具有重要性。只有理解這一點(diǎn)才能設(shè)計(jì)出能經(jīng)受這些荷載的結(jié)構(gòu)。硬沖擊引起不同類型的波從沖擊點(diǎn)傳播。其中最快的是縱波，隨后是剪切波，其中縱波沿著加載方向傳播，剪切波橫向于沖擊方向。除此之外，還有橫向于沖擊方向行進(jìn)的彎曲波，但其作為一種物理擾動(dòng)而傳播，比剪切波行進(jìn)得更慢。到目前為止，還沒有過對(duì)時(shí)間進(jìn)行的研究，因此，就有人對(duì)從一個(gè)沖擊點(diǎn)向支撐物傳播的力的速率進(jìn)行了研究。Saatci和Vecchio能夠從測(cè)量該速率的測(cè)試中提供數(shù)據(jù)。在他們的測(cè)試中，采用了高410mm,寬250mm跨度3m的鋼筋混凝土梁，并用600kg的塊以8.0m/s沖擊該梁，他們測(cè)得力的傳播速率將近750m/s(或從沖擊發(fā)生到力得到支撐的2.0ms),圖1。與預(yù)計(jì)速率大約分別為3300m/s和2300m/s的縱波和剪切波相比，這速度明顯更低。Saatci和Vecchio繼續(xù)描述為何介于沖擊發(fā)生和力被支撐之間的有限的時(shí)間可以被用來解釋為何動(dòng)態(tài)加載的梁中會(huì)出現(xiàn)剪切失效，這將被期以對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)加載速率作出回應(yīng)。這表明，在力剛剛到達(dá)的支撐點(diǎn)，支撐還沒有對(duì)沖擊施加的力做出抵抗。因此，Saatci和Vecchio假定，為了達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，梁的慣性力一定會(huì)等于沖擊施加的力。從這一假設(shè)能畫出彎矩和剪切力圖，并能看出慣性力減小了峰值彎矩，但對(duì)峰值剪力沒有影響，因此，更有可能發(fā)生剪切破壞。提高加載速率造成的脆性破壞增多的現(xiàn)象已經(jīng)被包括Magnussen和Kishietal的其他研究者觀察到了。圖2展示的是Kishietal做的沖擊測(cè)試的裂縫分布圖。這些表明，在一定沖擊速度下只發(fā)生彈性裂紋，但當(dāng)超過沖擊的臨界速度時(shí)，剪切破壞就產(chǎn)生了。所有的這些測(cè)驗(yàn)都是用準(zhǔn)靜力矩和剪切需求量大致統(tǒng)一的樣品進(jìn)行的。該測(cè)試數(shù)據(jù)被用于嘗試為Isaacetsl提出的現(xiàn)象提供一個(gè)理論解釋。除了Saatci和Vecchio的測(cè)試外，Cotsovosetal提到了一個(gè)事實(shí)，即力從沖擊點(diǎn)傳播到支撐點(diǎn)要花某一有限的時(shí)間。這里介紹了有效長(zhǎng)度的理論，以說明為何來自沖擊點(diǎn)的力矩會(huì)比靜態(tài)部分的大的多。人們把有效長(zhǎng)度假定為已經(jīng)“經(jīng)歷”了從沖擊端傳播而來的力的構(gòu)建的長(zhǎng)度。Cotsovosetal猜想有效長(zhǎng)度增加的速度是剪切波速。這在概念上類似于力的傳播理論。然而，混凝土中的剪切波速大約為2300m/s，但是Saatci和Vecchio記錄的速度是750m/s,慢約3倍。這種不一致，加上兩組研究員測(cè)試給出的有趣的理論，對(duì)這方面的未來發(fā)展提供了有意義的領(lǐng)域。為此，本文旨在為從對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)建硬沖擊的力的傳播速度提供基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。方法本文數(shù)據(jù)是從巴斯大學(xué)進(jìn)行的鋼筋混凝土梁的沖擊測(cè)驗(yàn)課程中收集的。本節(jié)討論的是對(duì)該測(cè)試設(shè)置的概述，測(cè)試樣品的設(shè)計(jì)輪廓，以及關(guān)于數(shù)據(jù)采集的方法的信息。2.1測(cè)試配置一系列沖擊測(cè)試是在巴斯大學(xué)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室特制鉆機(jī)上進(jìn)行的。這些測(cè)試被用于調(diào)查作用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的硬沖擊的眾多特征。然而，本文只總結(jié)了與測(cè)量力的傳播速度有關(guān)結(jié)果?？紤]到一定約束，沖擊鉆允許的最大質(zhì)量為360kg,最大自由落體高度從釋放點(diǎn)到?jīng)_擊點(diǎn)為2.2m。本文總結(jié)的大多數(shù)測(cè)試是在沖擊鉆的最大速度（6.5m/s）下進(jìn)行的，但測(cè)試中使用的是150kg的沖擊鉆。設(shè)計(jì)出了沖擊鉆，梁試樣才能水平跨越，沖擊物才能垂直下落。為安全起見，沖擊物被設(shè)計(jì)成在兩個(gè)鋼軌通道之間運(yùn)行，以防沖擊物偏離指定沖擊點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特征是一個(gè)“目標(biāo)點(diǎn)”計(jì)劃被用來支撐下落軌道的前端。這使得人們可以從前面看到試樣并被高速攝像頭拍攝下來，此重要性將會(huì)在第三節(jié)討論。圖3是一張展示了所有沖擊鉆配置的照片。2.2.樣品描述在總共進(jìn)行的5次沖擊測(cè)試中，大多數(shù)測(cè)試都是用同樣的沖擊量和速度進(jìn)行的，但是跨度/深度比率不同，以確定這與力的傳播速度是怎樣相關(guān)的。自從跨度/深度比率是設(shè)計(jì)柱和梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)以來，該參數(shù)就被選中了，因此它與工程師的實(shí)際工作相關(guān)。人們意識(shí)到其他變量（例如沖擊量。速度和材料的性質(zhì)）可能是重要的，但這超出了本次調(diào)查范圍。對(duì)主要測(cè)試參數(shù)的總結(jié)如表1所示。所有試樣都被均勻施壓，并且簡(jiǎn)單由銷支撐一頭，另一頭用輪子支撐。這種加固是一個(gè)柱子典型狀態(tài)，盡管其盡端支撐狀況并非如此。由于被測(cè)試的參數(shù)是從沖擊點(diǎn)傳播向支撐件的速度這種穩(wěn)定狀態(tài)，如下所述，是沒有影響的。兩種形式的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被用以記錄從沖擊點(diǎn)傳播的力的速度。首先，依次使用一個(gè)加速度計(jì)和測(cè)壓頭檢測(cè)沖擊塊和支撐物。其次，用攝下試樣全長(zhǎng)的高速攝像頭記錄該沖擊事件。來自高速攝像頭的這些圖片是用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）軟件來分析的。這種把加速度計(jì)安裝在沖擊塊和測(cè)壓頭上的設(shè)置成功地被Saatci和Vecchio用于記錄沖擊力以及在沖擊力發(fā)生和支撐物受力之間的時(shí)間延遲（如第1節(jié)所述）。測(cè)壓頭是由厚壁鋼管定制的，并由應(yīng)變儀來測(cè)量負(fù)載。普通測(cè)壓頭被認(rèn)為不適于運(yùn)用于此，因?yàn)樗鼈儍?nèi)部慣性可能會(huì)造成時(shí)間滯后，這將導(dǎo)致力的傳播速度的計(jì)算不準(zhǔn)確。定制的測(cè)壓頭直接測(cè)量力，因此避免了慣性問題。這些定制的測(cè)壓頭用校準(zhǔn)的應(yīng)變儀去測(cè)力。然而，本文只呈現(xiàn)了原始的飛校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。一個(gè)500g的加速度計(jì)被牢固地裝在沖擊塊上，并盡可能地靠近沖擊前端。來自測(cè)壓頭和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)以100000Hz的最大速率被記錄在同樣的數(shù)據(jù)記錄器上。如上所述，除了用于記錄數(shù)據(jù)的測(cè)壓頭/加速度計(jì)裝置以外，人們還嘗試?yán)酶咚賵D像來記錄這一沖擊，通過數(shù)字圖像關(guān)系（DIC）測(cè)量力傳播速度。這些具有足夠高幀頻的分辨率適宜的圖片，使得追蹤從沖擊點(diǎn)傳播的變形運(yùn)動(dòng)成為可能。DIC是一種行動(dòng)追蹤軟件，它通過一系列圖片記錄被研究物體表面的一個(gè)隨機(jī)圖案的運(yùn)動(dòng)。在本文所呈現(xiàn)的結(jié)果的案例中，一種隨機(jī)圖案被用于構(gòu)件表面，如圖4所示。憑借圖案的細(xì)節(jié)水平以及記錄精度，用這種技術(shù)不僅能測(cè)量位移，還能測(cè)量應(yīng)變。該技術(shù)應(yīng)用于沖擊情形的潛能被Pierronetalx在他們對(duì)鋁條的高速?zèng)_擊研究中證明了。Pierronetalx能夠用DIC軟件測(cè)量應(yīng)變、位移、速度和加速度。該方法的準(zhǔn)確性依賴于斑點(diǎn)圖案的清晰度，相機(jī)的分辨率和圖像記錄的質(zhì)量（例如圖像的模糊會(huì)嚴(yán)重降低結(jié)果的精確度）。當(dāng)力從沖擊點(diǎn)傳播時(shí)，本應(yīng)用以DIC來測(cè)量隨后的圖像中波動(dòng)變化的輪廓。在這種情況下，可以明白傳播力是慣性的，并且明白由于隨時(shí)間變化的形狀，引起梁的加速度。由此可以估計(jì)力傳播速度。圖4顯示了用于分析的軟件中的一張圖片。使用來自沖擊塊加速度計(jì)與支撐物測(cè)壓頭的力傳播速度和來自DIC的力的傳播速度在下面的部分會(huì)被提到。結(jié)果如上所述，從沖擊點(diǎn)傳播到支撐物的力的速度數(shù)據(jù)主要是通過兩個(gè)方法收集來的。圖5顯示的是表1概述的5個(gè)測(cè)試中每組顯示的加速度計(jì)（沖擊端）和測(cè)壓頭（支座反力）隨時(shí)間的反應(yīng)的數(shù)據(jù)。除了7B-R-I組試驗(yàn)以10000Hz的速率取樣（一個(gè)不同的數(shù)據(jù)記錄器必須被用于此測(cè)試），每組測(cè)試中的數(shù)據(jù)以100000Hz的速率取樣。應(yīng)該注意的是，只有沖擊時(shí)刻和反力作用時(shí)刻才會(huì)被繪制到圖表上。由于加速度計(jì)的高頻鳴響以及峰值輸出超過數(shù)據(jù)記錄儀的容量，是不可能獲得完整的加速響應(yīng)的。然而，這里我們只對(duì)沖擊和反應(yīng)之間的延時(shí)感興趣，這些數(shù)據(jù)就完全適用。圖5的數(shù)據(jù)顯示了在加速度計(jì)（Acc）記錄沖擊與測(cè)壓頭（LCR和LCL）受到?jīng)_擊力之間的延時(shí)。這清楚地表明在沖擊發(fā)生和對(duì)力產(chǎn)生反應(yīng)之間存在某一有限的時(shí)間。當(dāng)跨度已知，從能夠測(cè)量該時(shí)間的不同，力傳播的速度能夠容易地算出。這個(gè)數(shù)據(jù)與力到達(dá)的時(shí)間如表2所示。如第2節(jié)所討論的，這些測(cè)試主要采用的參數(shù)是力傳播速度和跨度/深度比率之間的聯(lián)系，圖6給出了顯示這種關(guān)系的圖表。這表明了這些參數(shù)間明確的關(guān)系。然而，這張圖表上又趣的是力的傳播速度和跨度/深度比率之間的非線性趨勢(shì)。這表明當(dāng)力從沖擊點(diǎn)傳播時(shí)，力的傳播速度是降低的。這一動(dòng)作暗示該波與縱波和剪切波不同，它是分散的，不是以連續(xù)的速度傳播，而是具有與其頻率相關(guān)的傳播速度?？v波和橫波不是分散的，速度不會(huì)降低，它只取決于材料特性（彈性、剪切模量、密度），因此，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)。本研究進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果（見圖6）暗示由于剪切波傳播增加了構(gòu)件有效長(zhǎng)度的假設(shè)并不正確。如上所述，高速相機(jī)記錄下的圖像也被用于測(cè)量力的傳播速度。以此方式獲得的數(shù)據(jù)旨在證實(shí)測(cè)壓頭和加速度計(jì)的結(jié)果，并可視化證明傳播力概念。人們需要使用該技術(shù)的進(jìn)一步研究，但是圖7和圖8顯示的結(jié)果明確表明該技術(shù)的潛力。由于DIC數(shù)據(jù)靈敏度問題，上文提到的5個(gè)樣本中只有兩個(gè)為本次研究提供了有用的參考點(diǎn)。在圖7所示的沖擊發(fā)生后，兩個(gè)測(cè)驗(yàn)（10C-U-I和14D-U-I）反應(yīng)的最初幾毫秒的偏移。它們分別都在x=0mm時(shí)發(fā)生沖擊。這兩個(gè)測(cè)試相機(jī)幀頻都是每秒3000幀。在圖7和圖8中的位移圖的0.0003s，顯示的是預(yù)期的一端固定的梁典型的彈性變形形狀（圖8尤其明顯）。然而，在第二時(shí)間階段（0.0007s）位移形狀表明塑性鉸已經(jīng)在沖擊產(chǎn)生的點(diǎn)下形成了（由高曲率的局部區(qū)域表示），并且彈性變形已不明顯。此時(shí)，試樣10C-U-I和14D-U-I梁兩側(cè)鉸鏈分別旋轉(zhuǎn)了0.28°和0.29°，并且可以看出，在以后的時(shí)間階段，當(dāng)變形沿著梁長(zhǎng)傳播時(shí)，梁兩側(cè)鉸鏈旋轉(zhuǎn)角度增加非常少。關(guān)于梁變形的理論分析（假設(shè)平面部分保持平面，鉸鏈長(zhǎng)度等于梁深），表明在梁曲率達(dá)到時(shí)鋼會(huì)屈服，這等同于每側(cè)鉸鏈旋轉(zhuǎn)0.13°。因此，這表明鋼屈服，塑性鉸才形成，這確實(shí)發(fā)生了。這被觀察到的極少的分布裂縫的以及大多數(shù)彎曲裂縫發(fā)生在沖擊區(qū)域進(jìn)一步證明了。這與準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試中看到的現(xiàn)象相反。所繪制圖形的另一特征是，它們似乎都遵循著預(yù)期的一端固定的梁的輪廓，其負(fù)曲率區(qū)域被認(rèn)為在梁跨內(nèi)兩側(cè)沖擊位置。由于梁不是被固定在任意一端，這進(jìn)一步支持該假設(shè)：在變形到達(dá)支撐物（即支撐物反作用于沖擊力）前，梁長(zhǎng)是無關(guān)的，并且，當(dāng)變形發(fā)展時(shí)，梁長(zhǎng)與固定端條件會(huì)隨時(shí)間有效變化。通過觀察變形輪廓，我們可以清楚看到從沖擊的中心點(diǎn)向外傳播的形狀。通過測(cè)量每次由沖擊力引起的變形已經(jīng)沿著試樣長(zhǎng)度傳播了多遠(yuǎn)，這些結(jié)果給出了計(jì)算力傳播速度的機(jī)會(huì)。樣本10C-U-I（圖7）的位移輪廓給出了兩個(gè)能夠用于預(yù)測(cè)沖擊后0.0003s和0.0007s的速度的輪廓圖。從這些計(jì)算，每側(cè)變形已經(jīng)傳播了350mm和600mm。這表明在0.0003s前平均力傳播速度有1167m/s以上，在0.0007s有857m/s。這再一次證明了圖6所示的當(dāng)樣品長(zhǎng)度增加時(shí)傳播速度降低。由于樣品14D-U-I（圖8）更長(zhǎng)，它有三個(gè)變形輪廓可被用于預(yù)測(cè)沖擊后0.0003s，0.0007s,和0.001s的速度。這種被測(cè)變形傳播速度從0.0003s的350mm到0.0007s的460mm最后到0.001s的570mm。這使得這三個(gè)時(shí)間各自的平均傳播速度為1167m/s，920m/s，674m/s。在該例中被記錄的試樣的長(zhǎng)度大約為+/-600mm,因此沒有能夠準(zhǔn)確采取的進(jìn)一步措施了。圖9顯示了從位移輪廓獲得的額外數(shù)據(jù)與從圖6中顯示的測(cè)壓頭/加速度計(jì)數(shù)據(jù)中獲得的數(shù)據(jù)。從變形形狀中取得的力傳播速度遵循著與測(cè)壓頭和加速度計(jì)反應(yīng)計(jì)算相同的趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)也清楚表明力從沖擊點(diǎn)傳向支撐物的速度的降低。討論加速度計(jì)和測(cè)壓計(jì)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)以及DIC的數(shù)據(jù)表明跨度/深度比率與從沖擊點(diǎn)傳播的力的速度之間有明確的關(guān)系。除了一個(gè)測(cè)試（14D-U-I）之外，兩個(gè)測(cè)壓頭都工作正常并記錄了被用于計(jì)算速度的有限時(shí)間差。使用測(cè)壓頭/加速度計(jì)配置是一種魯莽的數(shù)據(jù)采集方法，而且需要精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量。該技術(shù)的使用需要以足夠高的速率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，盡管這導(dǎo)致拾取與加速度計(jì)本身動(dòng)因相關(guān)的高頻震動(dòng)，這將使數(shù)據(jù)更難解釋。然而，在此我們只對(duì)沖擊力的開始感興趣，這不妨礙我們利用數(shù)據(jù)去測(cè)量加速度計(jì)和測(cè)壓頭之間的延時(shí)。這種計(jì)算力傳播速度的方法主要局限在于只有在固定長(zhǎng)度上平均速度才能被計(jì)算出來（即沖擊力和作用點(diǎn)之間）。為此，數(shù)字圖像相關(guān)法能夠提供一種有用的方法來證實(shí)結(jié)果。本應(yīng)用中的DIC的精準(zhǔn)度受相機(jī)分辨率和幀頻的限制。然而，盡管受限制，測(cè)試結(jié)果明確顯示位移圖像是如何隨時(shí)間從沖擊點(diǎn)向支撐物傳播的。這些結(jié)果，如上所述，顯示了一固定端梁在第一時(shí)間階段的初始彈性變形輪廓（圖8和圖9）。這表明在下一時(shí)間階段有單個(gè)塑性鉸的梁偏轉(zhuǎn)會(huì)取而代之，并且接下來沿梁長(zhǎng)會(huì)發(fā)生塑性彎曲變形。從這些結(jié)果可以清楚看出，移動(dòng)的塑性鉸還沒有在每個(gè)時(shí)間階段力傳播到的地方的邊界形成。在變形的初始階段，即支撐物還沒有對(duì)荷載產(chǎn)生阻礙作用時(shí)，沖擊力就受到梁變形時(shí)的慣性的阻礙。因此，中跨的力矩需求高于變形邊界，與力矩相等的準(zhǔn)靜態(tài)情形時(shí)作用在固定端梁上的集中力相反。如圖10所示；因?yàn)檫@些說明圖表目的在于，假定變形及慣性輪廓是變形邊界和沖擊點(diǎn)之間的線性關(guān)系。在準(zhǔn)靜止情況下，中跨彎矩與邊界彎矩的比率是一致的，因此，人們預(yù)計(jì)在端部和中部會(huì)同時(shí)出現(xiàn)塑性鉸，假設(shè)其具有同樣的靈活力。但是，當(dāng)我們將構(gòu)件慣性引起的彎矩加上時(shí)，跨中彎矩將會(huì)比邊界力矩大WL/24（其中W是總慣性矩）。因此，在動(dòng)荷載作用下中間可能形成塑性鉸而不是在邊界形成，即當(dāng)變形傳播時(shí)，邊界可以保持彈性，而不是形成一個(gè)移動(dòng)塑性鉸。能明白和懂得變形輪廓的發(fā)展是該領(lǐng)域一個(gè)重要進(jìn)展。此外，此數(shù)據(jù)允許用從測(cè)壓頭/加速度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算顯示良好相關(guān)性的DIC測(cè)得力傳播速度的更多結(jié)果?？紤]到該項(xiàng)工作的范圍，還不可能調(diào)查所有的可能影響力傳播速度的參數(shù)。這個(gè)限制應(yīng)該在以后的研究中被強(qiáng)調(diào)。在特定的更大樣品的測(cè)試中，改變截面尺寸、加強(qiáng)量以及沖擊速度和塊都會(huì)影響力傳播速度。至于沖擊速度，由看到薄鋁片沖擊（而非梁）的Vermoreleral做的研究顯示沖擊波的波前速度依賴沖擊速度。圖6的結(jié)果也表明記錄的最高力傳播速度出現(xiàn)在用最大沖擊塊的測(cè)試中。沒有深入研究就不能說這是否是影響速度的一個(gè)重要因素。本次調(diào)查的結(jié)果清楚表明，在梁或柱上發(fā)生沖擊與支撐物受到該力之間存在某一有限的時(shí)間。這為試樣提出了“有效長(zhǎng)度”的概念，之前所述在此被定義為在沖擊后某一時(shí)間變形因而稱“經(jīng)歷”了沖擊力的構(gòu)件的長(zhǎng)度。盡管