高溫后鋼管RPC的SHPB試驗研究

郭志昆， 陳萬祥， 姜 猛，鄒慧輝

(解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007)

高溫后鋼管RPC的SHPB試驗研究

郭志昆， 陳萬祥， 姜 猛，鄒慧輝

(解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007)

采用φ75 mm分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)分別對常溫、高溫200 ℃和300 ℃后的鋼管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube，鋼管RPC)及RPC進行沖擊壓縮試驗，分析了應變率效應及溫度效應對試件動態力學性能和破壞形態的影響。結果表明：高溫作用后鋼管RPC的韌性和相對韌性均隨應變率的提高而增大，相同應變率下鋼管RPC的韌性和相對韌性隨過火溫度提高而增大。沖擊荷載作用下鋼管RPC和RPC的破壞程度均隨過火溫度提高而降低，RPC發生脆性破壞而鋼管RPC發生延性破壞。鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，但RPC的吸收能受過火溫度影響較小。鋼管RPC和PRC的吸收能均隨應變率的提高而增大。試件的吸能能力取決于能量吸收率的大小。

高溫；鋼管RPC；分離式Hopkinson壓桿；韌性；吸能特性

近年來，火災爆炸事故時有發生(如昆山、天津爆炸等)，損失慘重。大跨、高聳、重載結構和重要防護工程的抗火和抗沖擊爆炸安全是關乎國計民生的重要問題之一，已成為社會關注的焦點。為提高工程結構抗火、抗沖擊爆炸性能，許多國家致力于開發各種新材料、新結構。鋼管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube，鋼管RPC)具有承載力高、剛度大、塑性和韌性好、耐火且施工方便等優點，是鋼管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，CFST)中極具開發潛質和應用前景的新型抗火抗爆組合結構，常用作重大工程的承重構件[1]。

研究高溫后鋼管RPC的動態強度及應力-應變響應特征對火災后鋼管RPC構件抗爆設計和安全性評估具有重要意義。目前，國內外學者對混凝土的動態力學性能進行了大量試驗研究[2-5]，但有關CFST動態壓縮特性及吸能特性的研究不多。高溫下抗沖擊方面，鄭秋等[6]利用SHPB裝置對φ32×16 mm的CFST試件進行不同溫度(20～400 ℃)下的沖擊試驗，結果表明高溫下CFST具有良好的抗沖擊力學性能，以及良好的塑性變形能力和完整性。何遠明等[7]采用霍普金森桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)試驗裝置研究了溫度(200～800 ℃)對CFST動態力學性能的影響規律，結果表明高溫下CFST仍具有良好的抗沖擊性能、延性和耗能能力；霍靜思等[8]采用SHPB試驗裝置對常溫和高溫后(100～700 ℃)的CFST進行多次沖擊性能試驗研究，結果發現高溫后CFST經歷多次沖擊后無明顯強度劣化，具有良好的抗多次沖擊力學性能和變形能力。然而，目前對高溫后鋼管RPC沖擊壓縮特性的研究報道較少。本文采用SHPB試驗裝置研究高溫后鋼管RPC在90～125 s-1應變率范圍內的韌性、破壞特征及吸能特性。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

鋼管混凝土動態強度受試件尺寸效應顯著，且試件與壓桿之間的摩擦對試驗結果有顯著影響，導致強度明顯的增加。根據Davies等[10]最優長徑比L/D=(3v/4)1/2的建議(其中v為材料泊松比)，本文試件長徑比控制在0.50～0.53之間。

1.2 原材料和配合比

試驗按照表1中配合比共制作了6塊100 mm×100 mm×100 mm的RPC立方塊，標準養護28 d。同時采用壁厚2 mm的Q345鋼管制作3個標準拉伸試件，按照文獻[11-12]方法分別對RPC和鋼材進行標準材性試驗。試驗測試結果如表2所示。

表1 RPC配合比

表2 鋼管和RPC力學性能參數

1.3 試驗裝置與試驗方法

圖1 SHPB試驗裝置Fig.1 SHPB test set-up

圖2 應變信號波形曲線Fig.2 Curves of strain signal

圖3 平均應變率取值Fig.3 Determination of average strain rate

圖4 動態應力平衡Fig.4 Dynamic stress balance

2 試驗結果與分析

圖5所示為高溫作用后試樣SHPB試驗應力-應變曲線(T=20 ℃代表常溫)，其中應力-應變曲線特征的主要力學參數匯總成表3、表4。

2.1 能量吸收能力分析

從宏觀角度考慮，韌性可以定義為材料從加載到失效為止吸收能量的能力。韌性是綜合反映材料強度和延性的指標，能更好的評價材料的抗沖擊性能。根據文獻[14-15]將韌性(Toughness)定義為應力-應變曲線下包圍的面積，用T表示，計算方法如圖6所示。將試件韌性指標(T)與動態峰值應力(D)的比值定義為相對韌性(Specific Toughness)，用ST表示。ST反映了應力-應變曲線峰值應力點過后塑性流動的變化趨勢，值越大，曲線越平緩，說明材料的塑性流動現象越明顯。

圖5 不同應變率下應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves under different strain rate

應變率/(s-1) 20200300峰值應力/MPa過火溫度/℃20200300韌性/(J·cm-3) 20200300相對韌性/%1002242372473.153.243.381.411.371.361202472522684.744.825.91.921.912.2

圖6 韌性計算方法示意圖Fig.6 Calculation method for T

高溫作用后T和ST隨溫度的變化如圖7所示。可見，高溫作用后鋼管RPC的T和ST隨應變率的提高而增大，而RPC的T和ST隨應變率的提高而減小。這是由于隨著應變率增加鋼管RPC峰值應力后的應力-應變曲線變得平緩，而RPC峰值應力后的應力-應變曲線變得陡峭，說明鋼管RPC在高應變率條件下仍保持較好的塑性變形能力。相同應變率下鋼管RPC的T和ST隨過火溫度升高呈上升趨勢；而RPC的T在應變率100 s-1以下時隨過火溫度升高而增大，但當應變率大于120 s-1時隨過火溫度升高而減小，說明高應變率條件下RPC呈脆性破壞。這是由于RPC經歷200 ℃作用后，RPC內部毛細水蒸發，相當于經歷了“自蒸”的過程，水泥水化和火山灰反應相互促進，消耗了更多對強度有不利影響的Ca(OH)2，并生成了更多的C-S-H凝膠，試件強度有所提高[16]。經歷300 ℃作用后，Ca(OH)2進一步減少，火山灰反應更加充分，使得內部結構更加密實，脆性增加。鋼管RPC在高溫下由于鋼管的存在減少了RPC芯柱內部水分的散失，RPC芯柱的水泥水化和火山灰反應更加徹底，表現出比RPC更好的韌性。高溫作用后鋼管RPC的T和ST較RPC分別增大了25%和10%以上，且隨著應變率的提高其增大幅度更加明顯。這是由于隨著應變率的提高，鋼管RPC發生明顯的塑性變形而吸收更多的能量，說明鋼管RPC較RPC具有更好的塑性流動性。

圖7 T和ST隨過火溫度變化Fig.7 Variation of T and ST with temperature

2.2 沖擊破壞分析

圖8、圖9分別給出鋼管RPC和RPC在常溫下、高溫200 ℃和300 ℃后沖擊壓縮破壞模式。隨著應變率的提高，鋼管RPC和RPC的破壞愈加明顯，應變率大于95 s-1時，RPC芯柱出現明顯的裂紋，應變率大于120 s-1時，RPC芯柱出現貫穿端面的裂縫，鋼管發生明顯的鼓脹變形；RPC的破壞形式由破碎成塊轉變為破碎成粉。隨著過火溫度的提高，鋼管RPC和RPC的破壞程度減輕，表現為鋼管RPC的RPC芯柱的裂縫數量、長度和寬度均隨過火溫度提高而減少，RPC破碎的碎塊體積逐漸增大。說明在沖擊荷載作用下鋼管RPC具有更好的延性；溫度對鋼管RPC和PRC的抗沖擊性能具有提高作用，這主要是由于高溫作用下鋼管RPC和PRC內部結構更加致密所致。

圖8 鋼管RPC破壞形態Fig.8 Failure modes of RPC-FST under impact loading

圖9 RPC破壞形態Fig.9 Failure modes of RPC under impact loading

2.3 能量分析

由應變片記錄到的波形信號，可以計算出從加載到卸載過程中壓桿上的入射能WI、反射能WR、和透射能WT，從而得到加載過程中試件吸收的能量值，公式如下[17]:

(1)

沖擊壓縮過程中材料吸收的能量WL由以下公式得到：

(2)

為衡量試件在相同近應變率下能量吸收的效率，定義能量吸收率如下：

(3)

由式(2)、式(3)計算得到試件吸收能和能量吸收率時程曲線。以應變率為120 s-1和高溫300 ℃后為例，列出了鋼管RPC和RPC的吸收能和能量吸收率時程曲線如圖10～圖13所示。

圖10 試件吸收能時程曲線Fig.10 Time-history curves of absorbed energies

如圖10所示，相同應變率下鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，而RPC的吸收能最大值受過火溫度的影響不大，但隨過火溫度到達最大值的時刻提前。這是由于高溫后鋼管RPC和RPC內部結構變得更加致密，抗沖擊能力提高；鋼管RPC由于鋼管的約束作用使得吸收能隨過火溫度提高而增大，而RPC由于高溫作用內部結構致密而造成RPC剛度增大，相同沖擊荷載作用下更早地吸收到試件破碎的能量而破壞，隨著過火溫度提高RPC在沖擊荷載作用下發生破碎的時間有所提前。這說明在相同應變率的沖擊荷載作用下，經歷不同溫度后的RPC破碎時吸收能是相同的，鋼管RPC由于整體性良好吸收能會隨過火溫度提高而增大。圖11所示，鋼管RPC和RPC的能量吸收率隨時間具有一定的波動性，但均隨過火溫度提高具有增大的趨勢，不同的是RPC的能量吸收率隨著過火溫度提高其下降段逐漸提前，下降即表明試件內部產生大的裂紋，試件即將破壞。在相同應變率沖擊荷載作用下，能量吸收率的不同是造成能量吸收能不同的根本原因。

圖12 試件吸收能時程曲線Fig.12 Time-history curves of absorbed energies

圖13 試件能量吸收率時程曲線Fig.13 Time-history curves of energy absorbency

如圖12所示，相同溫度下鋼管RPC和PRC的吸收能均隨應變率的提高而增大，不同的是，鋼管RPC在整個加載段吸收能是持續上升的趨勢，而RPC隨著應變率的提高吸收能更早的達到最大值。這是由于鋼管RPC比RPC具有更好的韌性和抗沖擊能力，隨著應變率的提高，RPC試件更早的發生破壞而減弱對能量的吸收，而鋼管RPC由于鋼管的約束在RPC芯柱發生裂縫的條件下依然保持整體性而持續吸收能量。試件吸收能隨應變率的增加而增加。這主要是由于隨著應變率的提高，試件內部裂紋發展并形成新的裂紋，子彈輸入系統的能量增加和能量吸收率增加共同作用的結果。由圖13可以看出，鋼管RPC和RPC的能量吸收率隨應變率的提高而提高，但RPC的能量吸收率隨應變率的提高更早地進入下降段。說明隨著應變率的提高鋼管RPC在鋼管的約束下裂縫得以持續發展，而RPC在高應變率下裂縫快速發展較早的發生破壞。

3 結 論

對最高過火溫度300 ℃后的鋼管RPC和RPC進行了SHPB試驗研究，本試驗條件下得到如下結論：

(1)高溫后鋼管RPC的T和ST隨應變率提高而增大，而RPC的T和ST隨應變率提高而減小。相同應變率下，鋼管RPC的T和ST隨過火溫度提高而增大；而RPC的T和ST隨過火溫度提高而減小。

(2)相同應變率下，鋼管RPC和RPC破壞程度隨過火溫度提高而減輕，但RPC發生脆性破壞而鋼管RPC發生延性破壞，說明高應變率條件下鋼管RPC具有更好的塑性變形能力。

(3)相同應變率下，鋼管RPC的吸收能隨過火溫度提高而增大，RPC的吸收能最大值受溫度影響較小；相同溫度下，鋼管RPC和RPC的吸收能均隨應變率的提高而增大。能量吸收能力的多少取決于能量吸收率的大小。

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SHPB test on reactive powder concrete-filled steel tubes after exposure to high temperature

GUO Zhikun, CHEN Wanxiang, JIANG Meng, ZOU Huihui

(State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Impact tests on reactive powder concrete-filled steel tube (RPC-FST) and reactive powder concrete (RPC) specimens after exposure to high temperature (20 ℃, 200 ℃, 300 ℃)were performed by using a φ75 mm split Hopkinson pressure bar (SHPB). The strain rate effect and temperature effect on dynamic behaviors and failure modes of specimens were investigated.It is indicated that the toughness and specific toughness of RPC-FST increase as the strain rate increases. The toughness and specific toughness of RPC-FST under the same strain rate increase as the temperature increases. The failures of RPC-FST and RPC under impact loading tend to be unobvious as the temperature increases. Brittle failures are observed in RPC while ductile failures in RPC-FST. The absorbed energy of RPC-FST increases as the temperature increases, while the temperature has no great influence on the maximum absorbed energy of RPC. The absorbed energies of RPC-FST and RPC both increase as the strain rate increases. The capacity of energy absorption of the specimens is mostly dependent on the energy absorbency.

high temperature; RPC-FST; split Hopkinson pressure bar; toughness;energy absorption characteristics

國家自然科學基金項目(51378498；51578541)；江蘇省自然科學基金項目(BK20141066)

2016-01-08 修改稿收到日期：2016-04-08

郭志昆 男，教授，博士生導師，1963年生

陳萬祥 男，副教授，1977年生 E-mail:cwx_0806@sohu.com

TU502

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.022