基于Hopkinson束杆技术的混凝土动态实验方法研究

摘要

混凝土是一种应用广泛的工程材料，许多大型的混凝土工程不仅承受着静载荷的作用，还承受诸如地震、爆炸/冲击等动载荷的作用,因此,混凝土动态力学性能的研究无论在学术和工程上都具有重要意义。混凝土是细观上含有不同大小骨料的非均质材料，为保证试验结果在宏观意义上的有效性,试样的尺寸必须足够大，由于现有的分离式Hopkinson压杆（SHPB）直径一般为10-70mm，难以满足对大尺寸混凝土试件动态性能进行测试的要求,因此,有必要发展大尺寸Hopkinson技术,以解决大骨料混凝土动态力学性能实验需要。
　　 本文针对大尺寸骨料大混凝土动态拉伸特性研究需求，探讨了Hopkinson一维层裂和圆盘劈裂动态试验方法的可行性，结果表明：阻抗匹配的一维层裂实验更适合大尺寸骨料大混凝土动态拉伸特性的研究，但二维弥散效应必须加以考虑。基于Hopkinson束杆思想，对Hopkinson束杆实验原理开展数值实验，探讨大尺度试样的Hopkinson束杆动态性能实验技术中存在的诸多问题，包括波弥散效应、应力应变沿试件长度均匀性等问题，分析了混凝土试样破坏演化过程，结果表明：
　　 （1）只要对试样加载应力波波长和试样厚度合理设计，能够满足“应力/应变波沿试件长度方向均匀分布”基本假定。
　　 （2）Hopkinson束杆中每对束杆都基本满足一维应力波假定, 可以方便采用传统SHPB技术的实验数据测试和分析方法。
　　 （3）利用实验中每对束杆反射和透射波的分析,可以研究揭示混凝土试件中裂纹起裂、扩展演化过程。这为实验方案设计和测试分析方案提供参考依据。