基于SHPB 混凝土的沖擊試驗研究

徐成

安徽理工大學土木建筑學院 安徽淮南 232001

隨著社會的不斷發展，混凝土被廣泛應用于基礎設施的建設中，成為使用最廣泛的土木工程材料，就目前看來，世界各國學者對于研究混凝土靜態力學性能的試驗成果較多，相反混凝土的動態力學性能研究較少，特別是混凝土在高應變率情況下的性能研究少之又少。近20 年來，通過大量的試驗證明：霍普金森壓桿裝置（SHPB）能較好的模擬材料所受到的沖擊動載，且在混凝土動態力學特性研究方面運用越來越廣泛。

1 SHPB 壓桿裝置原理

SHPB 壓桿裝置由撞擊桿、入射桿、透射桿、測試及數據采集處理系統等設備組成。應變片貼在入射桿與透射桿上，并將試件放入兩桿之間。當撞擊桿被加速到一定的撞擊速度時，以此速度撞擊入射桿，產生一個入射彈性壓力脈沖。當最開始的壓力脈沖經撞擊桿反射成拉力脈沖并回到撞擊面時在入射桿中產生了入射應力波。當入射應力波到達試件時，一部分因為出現桿和試樣橫截面積不相同等情況而反射回入射桿形成反射應力波，另一部分穿透試樣到達透射桿形成透射應力波。利用入射桿和透射桿上的應變片記錄下入射波、反射波和透射波的信號，由數據采集處理系統負責接收并處理應力波信號。

2 混凝土動態力學性能

2.1 混凝土沖擊壓縮性能

蘇駿等[1]利用SHPB 壓桿裝置（直徑74mm）對纖維混凝土在不同應變率下進行沖擊壓縮試驗，獲得了應力－應變關系。試驗結果得出：隨著應變率的逐漸增加，在沖擊荷載的作用下，纖維混凝土的破壞應力、峰值應變等都呈現增大的趨勢。

2.2 混凝土的沖擊劈拉性能

Joseph W Tedesco 利用SHPB 壓桿裝置（直徑51mm）對尺寸為Φ51mm×51mm 的混凝土進行沖擊劈拉試驗，為了更好地在沖擊過程中看出試件的變形與開裂現象，還運用了超高速數字攝影機（1000000 張/秒）。并認為：混凝土的抗拉強度在應變率超過1/s 時表現出了比較顯明的應變率效應。

2.3 混凝土的強度

姜錫全利用SHPB 壓桿裝置（直徑37mm）對尼龍纖維增強細粒混凝土與鋼纖維進行了沖擊壓縮試驗，得出：當應變率在6-76/s 范圍內，在應變率相同情況下，尼龍纖維增強混凝土的強度和鋼纖維與普通混凝土的強度幾乎一致。

丁國博等利用SHPB 壓桿裝置（直徑100mm），對養護齡期分別為12h.24h 和36h 的早強聚苯乙烯混凝土進行沖擊壓縮試驗，并與養護齡期為28d 的聚苯乙烯混凝土結果進行了對比。結果表明：隨著應變率的增加，養護齡期為36h.28d 的混凝土，其沖擊壓縮強度也增大；隨著應變率的增加，養護齡期為12h.24h 的混凝土，其沖擊壓縮強度變化不顯明。

2.4 混凝土的彈性模量

嚴少華、錢七虎等對摻入鋼纖維的高強混凝土進行了沖擊壓縮試驗研究得出：應變率及鋼纖維含量對鋼纖維增強混凝土的彈性模量影響較大，而當應變率和鋼纖維含量變化時，峰值應變變化較小。

劉俊良、許金余、任韋波[2]等利用SHPB 壓桿裝置（直徑100mm），研究了高強混凝土在不同應變率下的動態力學性能。隨著應變率的增大，高強混凝土的彈性模量并未出現比較明顯的變化趨勢。高強混凝土動彈性模量呈現較大態勢，峰值應變呈現較小態勢，變形的能力有所降低。

3 SHPB 壓桿裝置存在的問題

3.1 大尺寸桿彌散效應

目前世界各國都在努力興建大尺寸SHPB 壓桿裝置。比如歐美等國已先后建成直徑l00mm 和200m 的SHPB 壓桿裝置，國內比如廣州大學也建成了一套直徑100mm 的SHPB 壓桿裝置。但這些大直徑的SHPB 壓桿裝置挑戰了傳統基于一維假定與均勻假定的SHPB 試驗技術，分析表明：當矩形波加載時，滿足內部應力應變均勻化假定，根據一維假定，任意一個應力波脈沖在壓桿傳播速度為定值，僅與材料性質有關，但是這一假定卻忽略了壓桿的橫向收縮對動能的作用。這種假設對于小尺寸的SHPB 壓桿裝置來說誤差不算大，但是對于大直徑SHPB 壓桿裝置來說，因為尺寸大，所以產生的彌散效應也大，所以不容忽視。

3.2 試件應力不均勻問題

因為每個SHPB 壓桿的材料和每個試件的材料不同，從而聲阻抗也不同，要想試件的應力狀態均勻，波在試件內必須經過二三個來回才可以實現應力狀態均勻。在SHPB 試驗中，當沖擊荷載較大、作用時間較短時，往往波還未經歷一個來回，試件就可能已經遭到破壞，這樣的話，試件很難滿足應力均勻性。

3.3 端面摩擦效應問題

想要確保實驗精度，端面摩擦效應一定得考慮并解決。近來年，學者們在做SHPB 試驗過程中，初步認為，SHPB 實驗中端面摩擦效應的大小與材料力學性能、摩擦機理及破壞機制有關，而且在SHPB 試驗中，試件長徑比小的材料比長徑比大的材料的端面摩擦效應更明顯[3]。

4 解決措施

（1）①適當地減小壓桿的直徑可以減小彌散效應對實驗的影響，但是此方法并不適合研究巖石類材料，所以需要合理地設計試件的尺寸。②選擇合理的加載波形來減小或消除彌散效應的影響，在入射桿端加波形整形器達到減少彌散效應的效果。③可以在入射桿打擊端粘上一層A4 紙也能達到減少彌散效應的效果。

（2）在SHPB 試驗時，適當地控制沖擊荷載的大小，然后確保荷載的作用時間長一點，從而可以滿足試件的應力均勻性以提高沖擊試驗的精度。此外，還有一種能消除試件的應力不均勻的方法就是在桿的短頭端加一個萬向頭。

（3）對于SHPB 試驗中，為盡可能的減小或消除端面的摩擦效應對試驗的影響，可以在接觸面上涂抹凡士林等潤滑劑用來保證試件兩端與壓桿端部完全緊貼，從而減小桿件斷面的摩擦效應與接觸面不平的情況對試驗精度帶來不好的影響。