輸電線路用EPS混凝土緩沖吸能特性的數值研究

張天忠， 李昆梅

(國網安徽省電力公司 建設部，安徽 合肥 230022)

輸電線路用EPS混凝土緩沖吸能特性的數值研究

張天忠， 李昆梅

(國網安徽省電力公司 建設部，安徽 合肥 230022)

EPS混凝土具有更加顯著的緩沖吸能能力，特別適用于重要輸電線路防撞設施。利用數值模擬的方法對兩種粒徑的泡孔/EPS混凝土進行了數值計算，克服了實驗中難以把泡孔和EPS顆粒完全對應的問題，進而研究了泡孔混凝土和EPS混凝土在沖擊載荷作用下的緩沖吸能性能。

輸電線路；EPS混凝土；緩沖吸能特性

0 引 言

聚苯乙烯(Expanded Polystyrene Sphere，簡稱EPS)混凝土是一種輕質、多孔，緩沖特性強的復合材料，其作為一種新型建筑節能材料，廣泛應用于圍欄擋板、夾芯構件和滿足抗沖擊要求的防護結構中。目前輸電線路桿塔所采用的防撞設施主要為普通混凝土，抗沖擊性能差，在沖擊荷載作用下易發生破壞。EPS顆粒極大地減輕了混凝土的自重并有效地改善了混凝土的脆性特性。因此其特別適用于重要輸電線路的防撞設施。

文獻[1]描述了EPS顆粒粒徑與EPS混凝土強度之間的關系。文獻[2]研究了EPS混凝土的抗折、抗壓和劈裂強度等性能。文獻[3]實驗研究了EPS混凝土的破壞特性：在混凝土中EPS材料體積含量相同的情況下，其抗壓強度隨著EPS顆粒粒徑的增加而降低。文獻[4]提出了EPS混凝土具有較強的緩沖吸能特性，且可用于抗沖擊防護結構中。文獻[5-8]結合材料應變率效應研究了EPS體積含量對EPS混凝土緩沖吸能性能的影響，描述了EPS混凝土的緩沖吸能性能與試樣破壞程度之間的關系。研究表明：利用實驗的方法難以單獨考慮到EPS混凝土中的EPS材料所起到的作用，而數值模擬方法可以彌補其不足。

基于EPS混凝土的應用范圍越來越廣，但在沖擊載荷作用下因其涉及到大變形和極其復雜的應力狀態等問題，其動力學性能研究較少，動態數值模擬研究更加缺乏。因此，通過數值模擬EPS混凝土在沖擊載荷下的特性可以促進人們對其有更深刻地認識。在此，利用數值模擬的方法研究EPS混凝土在沖擊載荷作用下的緩沖吸能特性。

1 模型參數

數值模擬EPS混凝土SHPB實驗中的壓桿和試樣的直徑均為37 mm，入射桿、試樣和透射桿長度依次為1 500 mm、18 mm和1 000 mm。利用彌散性較小的正三角形速度脈沖加載，最大速度峰值為10 ms-1，脈沖寬度為200 μs。

數值模擬中利用了考慮大應變和應變率效應的H-J-C材料本構關系模擬混凝土基體材料，具體材料參數見文獻[9]中的表3-1。數值計算中的EPS材料采用可壓扁泡沫材料模型，具體材料參數參考文獻[10]。

2 數值研究

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值計算，采用文獻[10]中的“三波法”公式得到應力-應變曲線。為了研究EPS泡沫材料對EPS混凝土的緩沖吸能性能的影響，數值模擬了混凝土試樣結構完全相同的泡孔混凝土和EPS混凝土。具體內容包括：① 數值計算得到了四種體積含量的泡孔混凝土和相對應的EPS混凝土的應力-應變曲線。② 數值模擬給出了兩種EPS顆粒粒徑(泡孔孔徑)的應力-應變曲線，并進行了相關的對比分析。

2.1 數值模擬結果

數值模擬得到了EPS顆粒粒徑(泡孔孔徑)為1 mm(3 mm)混凝土的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 泡孔/EPS混凝土的應力-應變曲線

從圖1中可以看出，EPS粒徑和孔徑均為1 mm混凝土的應力-應變曲線有一定的差異，其規律是：隨著EPS顆粒體積含量的增加，EPS混凝土吸收的能量要比泡孔混凝土吸收的能量更多；EPS粒徑和孔徑均為3 mm混凝土的應力-應變曲線具有明顯的區別，其規律性與前者相同，且EPS混凝土較泡孔混凝土的緩沖吸能特性體現得更加明顯。進一步分析圖1可知，EPS材料本身具有的緩沖吸能特性在3 mm粒徑的EPS混凝土中體現得尤為顯著，并且EPS混凝土的峰值應力隨著EPS的體積含量的增加而降低，而在EPS體積含量相同的情況下，1 mm粒徑較3到mm粒徑的EPS混凝土具有更高的應力峰值；泡孔混凝土亦有類似的變化規律。

2.2 比較分析

2.1節中只是定性地對曲線進行了說明，為了更加精確地描述EPS材料在EPS混凝土受到沖擊載荷作用時緩沖吸能特性中所起作用的大小，引入一個比值公式 ，即

λ=WE/WK

(1)

其中，WE和WK分別代表EPS混凝土和泡孔混凝土在沖擊載荷作用下吸收的能量。

圖2定量地給出了EPS混凝土與泡孔混凝土在沖擊載荷作用下吸收的能量之比，其橫坐標φ代表泡孔/EPS材料的體積含量。由圖可知，隨著EPS體積含量的增加，EPS混凝土比相應的泡孔混凝土吸收的能量更多，尤其是3 mm粒徑的EPS混凝土體現得更加明顯。產生此種現象的機理分析可以從能量的角度考慮，在泡孔與EPS體積含量相同的情況下，1 mm粒徑較3 mm粒徑的泡孔多，即孔壁的總面積大，在壓縮變形的過程中，孔壁的變形破壞和相互摩擦等形式吸收的能量更多，而作用在EPS泡沫材料上的能量變少，轉化為EPS材料的應變能少，反之則多。由此可得，在相同EPS體積含量的情況下，3 mm粒徑的EPS混凝土的緩沖吸能性能更好。

圖2 緩沖吸能特性比較

3 結束語

通過對四種泡孔/EPS體積含量(即10%、20%、30%和40%)和兩種粒徑(即1mm和3mm)的混凝土進行了數值模擬發現：在泡孔和EPS體積含量相同的情況下，EPS混凝土較泡孔混凝土的緩沖吸能能力更強，3mm粒徑較1mm粒徑的EPS混凝土具有更好的緩沖吸能能力。此外，對于EPS混凝土，其峰值應力隨著EPS的體積含量的增加而降低，而在EPS體積含量相同的情況下，1mm粒徑較3mm粒徑的EPS混凝土具有更高的應力峰值；對于泡孔混凝土，其與EPS混凝土具有類似的變化規律。

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2016-10-24；修改日期：2016-10-28

張天忠(1968-)安徽無為人，國網安徽省電力公司高級工程師．

TU502.6

A

1673-5781(2016)05-0669-03