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震塌破坏的试验研究
发布时间:2022年06月06日


随着现代武器装备不断改进和发展,攻击能力大幅度提高,对防护工程抗爆防震塌能力的要求越来越高。为了提高防护工程的抗震塌、侵彻能力,当今较多采用钢纤维增强混凝土。在国内外各种文献中对钢纤维增强混凝土的研制有较多的报道,但由于各方面的原因,缺少关于钢纤维增强混凝土抗爆防震塌破坏的系统可借鉴的资料。而这些对于抗爆结构的设计、钢纤维增强混凝土的选择是极其重要的。进行震塌试验的目的是:a. 了解 C40 混凝土和两种不同配比钢纤维增强 C40 混凝土试板在接触爆炸时的动态特性,包括震塌破坏和压缩破坏的机理;b. 分析爆炸压缩波的传播特性;c. 为抗表面爆炸高强混凝土结构的设计提供参考。

笔者共计进行 25 组爆炸试验,其中 19 组的混凝土板尺寸为 200 cm × 200 cm × 40 cm,6 组的混凝土板尺寸为 200 cm × 200 cm × 80 cm,研究混凝土基体强度级别、纤维含量配比变化、配筋情况和混凝土板尺寸等对抗震塌性能的影响。在试件制作过程中,将压力传感器置于某些特定位置,用以测量波在混凝土中不同位置处的冲击波压力,以及用于测试应力波在混凝土中的衰减特性及传播速度。

混凝土震塌试验原理如图 3 所示,爆破物置于混凝土试板上表面中心,接触爆炸。每次试验时爆破物数量是以实验室小模型试验结果为依据,并根据现场爆炸试验破坏情况进行调整。

图3 混凝土震塌试验原理示意图

Fig.3 Collapse experiment of concrete under explosive loading

根据试验结果可以得出如下结论:

1) 在爆炸冲击载荷作用下,C40 钢纤维增强混凝土板与普通混凝土相比,抗震塌性能提高明显,它减小了层裂区直径。随钢纤维体积含量从 2 % 增加至 3 %,抗震性能有提高趋势,但从破坏结果分析看,抗震塌性能提高不明显。从目前的工艺条件和经济考虑,宜采用 2 % 钢纤维增强混凝土。

2) 从加速度分析看:试样外侧加速度值均随爆破物量增加而变大。在小于 4 kg 的低药量下,增加钢纤维含量,试样外侧加速度值明显降低,但随着药量增加至 4 kg 以上,外侧加速度值趋于相同。

3) 试验结果还表明:配筋对震塌破坏的约束作用明显,对结构有明显的加固作用,对提高整体抗震塌破坏性能有明显作用。但试验结果显示,配筋试样的背面中心表层层裂较严重。这是由于在爆炸冲击载荷作用下,混凝土的整体震塌破坏,其实包含局部冲击、贯穿、层裂等早期波动效应的破坏形式和后期整体突出、塌落。而配筋对结构的加固作用体现在后期响应,结构早期的破坏形式主要与应力波的传播特性相关,即与材料力学性能和试件的厚度有关。对于有/无配筋的试件,早期由应力波导致的层裂破坏效应相似,但由于混凝土与配筋结合力相对较弱,使标准配筋试件表层发生层裂飞散。

4) 比较 C100 混凝土与 C40 混凝土试件试验的破坏结果,笔者发现:采用 C100 混凝土,并不能提高结构的抗震塌性能,反而材料表现出更大的脆性,比如爆坑的尺寸和深度都增大。C100 混凝土加入 vf 2 % 、3 % 的钢纤维后,抗爆震塌性能明显提高,但仅与 C40v2 、C40v3 相仿。

5 )钢纤维能阻碍宏观裂纹的扩展,并有效地减小碎块的尺寸。

6) 从试验回收观测中注意到,试件钢纤维未能均匀分布,多为二维乱向分布,并且钢纤维大多为拔出破坏。可见如果不能有效改善纤维 -基体的结合强度以及实现施工中的搅拌均匀性,不必追求过高的钢纤维含量。

7) 加入 1.2 kg / mPPE 增强混凝土并没能提高其抗震塌性能。

8) 材料的配比对压力峰值及其衰减的影响不大,反映在近爆炸区,对混凝土类脆性材料其爆坑破坏状况相近,改变材料配方或钢纤维增强并不能改善爆坑破坏状态。这是由于该区域内,冲击压力的幅值远大于材料所能承受的剪应力,应力偏量较小,可忽略不计。