不同冲击载荷下水中砼破坏机理的初步研究.pdf

第1 8 誊第1 期 ■- 1 年l 月 爆破 B I ．A S T l N G 、7 0 18N u4 D c c ⋯一l 文章编号i o o l 一4 67 x 2 I ] L 、I 0 4 一 埔0 7 0 4 不同冲击载荷下水中砼破坏机理的初步研究 吴 成1 ，冯顺山1 ，任晓雪1 ，霍建伟2 1 北京理工大学．北京1 0 0 1 8 1 ；2 中国邮政航空公司，北京l o 0 0 4 2 摘要 在术申爆炸冲击我荷的作用下，混凝土的动态响应和破坏模型与在地面上有很大的不同．加栽应 变率太小和作用历史对混凝土破坏历程有着更复杂的影响．冲击趣压不是击定发生破坏的唯一因素。时此采 用不同种类蚌药，进行不同压力峰值和作用历史的爆炸载荷冲击实验，并初步提出了水中混凝土的动态破坏 模型，蛤出了混凝上材料的临界破坏备件。 关键词水下爆炸；混凝土；冲击加栽；破坏模型；临界破坏 中围分娄号 丁r 2 3 5 ．1 文献标识码A A nI n v e s t i g a t i o nO nt h eF r a c t u r eM e c h a n i s mo fC o n c r e t e u n d e rD i f f e r e n tS h o c kL o a d j n gj nW 8 t e r w l7C h P n i ，} E N Gs } l H ’Ps h d 0 ，R E NX t n oz M 一，rR J i d Ku ；c ≯ 1 ．B e i 】1 n gT n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ．№啦n g1 0 0 0 8 l ，C l u n 8 ； 2 ．C h i n aP o s tA i rC 。m p a n y ，B c i j l “gl O 0 0 4 2 ，C h l n a A b s t r a c t T h ef r a c t L l r em e c h a n l s mo { u n d e r w a t e rc o n c r e r e u n d e rs h o c kl o ad i n E1 sd i f f e r P n tf r 0 Ⅲ【h a ro n g r 。u n dh e ⋯} eQ ft h em o r e ∞m p lL c a t e dd a m 8 9 ep r 。c e s s P s ．4t p e so fe 。p I u s l v ec h a ‘g e sh a dh e e “p l a f P d1 n w a t e r a n d { l r 叫c 。s 1 1 0 c kt h cc o n c r e t ea tb o t t o mo fw a t e ‘p 0 0 1w l l hd l f f e r e n t 即a kp f e s s u r Pa n dp r e s s u r Ph l 豇o n e s 下h e T l m e dp r P s s u r cd d l ah a db c e nr e r o r d e d ，Ad a m 8 9 t Ⅱlo 1 e 1f o ⋯洲t P rc o n c r e I Ph a sb e 哪s Hu pp n I n a r l l y ．r h e c n I l f a lf r a c t u I ec o n dL t l u nw a sa l s o o b t a I n e dT h l sw o r kh a sl a I dab e g I l l n m gf o rf u r l h e rs t u d yo fI n _ wa I e rf o n c r P r Pf r a c ￡u r P K e yw o r d s u n 如r W a t e r b l a s t 1 9 ； c o Ⅲp t 。； 出。c k 】o a d l “g ；d a m 8 外n l o 1 e 1 ； c r I t l c a lf r a c I u r P l引言 混凝土的破坏问题研究已越来越受到人们广泛 的重视．而对水中冲击破坏研究则较少，更是目前研 究的重点。 对混凝土在冲击作用下以及在高速碰撞情况下 的力学性能已做厂大量研究工作，提出了许多模型 和经验表达式“一。大量研究结果表明，混凝土材 料在动态冲击载荷作用F ，其动态抗压、抗拉强度均 大幅度提高，在l o 。以上的冲击应变率下可分别达 到静态值的1 ．j ～2 倍，材料应力应变关系存在随积 累应变增加的软化现象。日前许多研究工作对混凝 土材料的动态破坏也提出丁一些准则和模型．但对 很好描述混凝土破坏现象仍有许多不足““。。本文 将冲击载荷的作用历程和作用积累冲量大小、以及 材料的等效积累塑性应变和等效积累体积应变作为 影响材料破坏过程的主要因素，引入损伤因子和积 累损伤示性函数模型”“] ，初步提出r 水中混凝土 破坏的积累冲量f 临界条件。 收幅口期 0 1 l 一1o 3 作者简介是成 1 9 6 l 一 ．男；北京北京理工大学机电J 二程学院副教授．博士．主要从事爆炸作用相关领域的研究 万方数据 2 水下爆炸冲击实验 混凝土靶尺寸为0 0 0m m j 【 m m 5 m m ， 按照国家有关标准，由卵石、碎石、水泥和水配制而 成．浇注后养护2 8d 以上。抽取标准样品进行测试， 以保证抗压强度“≥3 0M P a 。在通常情况F ，当混 凝十靶的结构尺寸超过其内部粗骨料尺寸的4 倍 时，可以把混凝土看成均匀、各向同性的材料。靶块 直接放在水池底面上，水池内水深3 ，4n l 炸药采用 圆柱型装药．尺寸为机j om m 1 8 0m m ，离水池底 面高度为2 j on m ，沿装药圆周方向上摆放不同径 向距离的混凝土靶，观察靶板毁伤情况。 选择4 种炸药实验．由于成分和爆轰过程的不 同．在水介质中产生不同过程的冲击波加载，对混凝 土靶产生不同应变率历史的作用。在靶板的相同距 离放置压力传感器，测量水中冲击波超压时间历史。 实验结果见表1 ， 表1不同炸药水下爆炸作用实验结果 往装蜀聃均为20 蛔。 可以看出，1 ～3 。炸药对】．0m 处的混凝土靶 板不能造成破坏性的断裂，而4 ’炸药可以造成破坏 性断裂。l ‘～3 ‘炸药为常规炸药，爆炸水中峰值压 力均较高．约为4 ”炸药的2 倍．但其脉冲持续时问 较短，仅为4 。炸药的l ／6 ，但4 “炸药却对靶板造成 了破坏。显然水中的压力超压值不是破坏混凝{ 靶 的唯一决定因素，破坏还与冲击载筒的持续时间和 脉冲的积累冲量值大小有关。所以，在对水中混凝土 目标进行爆炸作用时，单纯追求冲击波超压足不合 理的，还必须考虑混凝土材料破坏时动态响应的力 学特性，有针对性、全面地考虑冲击波作用参数是理 解水中混凝土材料破坏机理的关键。 从压力传感器记录的压力时间曲线来看，相同 距离上1 一～3 。炸药的压力脉冲峰值压力比44 炸药 高。但是， 。炸药的典型脉冲持续时间短，作用破坏 时阳】短．压力比冲量为1 5 14k z m ／s ，而d 炸药的 作用时阳】长．压力比冲量为怕3 ．1k g m ／s ，约为前 者的3 倍。显然，后者能够破坏相同距离上的混凝土 爆破 靶，正是作用时问长和比冲量大的结果。 根据脆性材料内部破坏的过程和特点，载荷的 作崩时问长可以使内部冲击产生的微观裂纹觅分扩 展和汇聚，形成宏观的破坏断面．而大的积累冲量值 则可容易地将已预破坏的混凝土材料打碎。从冲击 破坏力学观点来看．破坏目标的关键因素是作用面 上的介质质点速度持续时间和大小，即为冲击载荷 的作用时间和作用冲量大小，两者是相互作用和相 互影响的。因此．采用具有不同加载特点的炸药装药 进行冲击作用实验，对混凝土靶的破坏研究具有实 际意义。 3 水中混凝土冲击破坏模型的建立 靶板处于地面和水介质界面上，当冲击波作用 时由于上下位置的质点速度差，靶板迎载面内附近 材料将承受拉应力，承载面上还受到水介质的冲击 压力和靶板四周承受冲击波超压的静水压力，如图 1 所示。可见靶板的受力状态是相当复杂的。对丁二靶 板底部基本卜是固定的情况下，导致靶板断裂破坏 的主要参数是其动态抗拉强度吼，、等效塑性应变和 静水压力。这里主要针对“．讨论其材料冲击作用时 的动态变化过程。 ≥阿一， 弓弓知7 乒竹 圉1 靶板受力示意图 大量的研究工作表明，混凝土的动态抗压和抗 拉强度均随加载率增大而增大。”。混凝上材料破坏 过程经历了3 个阶段弹性阶段；微裂纹广泛延伸阶 段和应变软化阶段。混凝土破坏除了与冲击载荷峰 值压力大小有关外，主要还与冲击载荷持续时间和 积累作用冲量的大小有关，这3 种因素的综合作用 决定了混凝土内部破坏的进展和发生。 冲击载荷压力、持续时间和冲量大小直接决定 了材料微观裂纹的扩展程度，也就决定r 冲击过程 中材料抗压、抗拉强度的变化，这个变化又决定了应 力应变软化的发展程度。当材料受到的积累冲量值 达到临界值，并且受到的拉伸力大于材料当地抗拉 强度值时．则发生断裂破坏。靶扳断裂破坏显然是一 个与时间相关的发展过程。因此，引入损伤因子D ． 积累应变率s ⋯静水压力， 和有效作I [ _ } { 时间，。等参 数．采用积累损伤示性函数／． ，’，D ．￡ 分析建立水 中混凝上破坏的模型”“1 。 万方数据 第18 卷第4 期 是成等不同冲击载荷下水 材料破坏过程中的应变是一个等效积累应变， 作为材料内部破坏程度的示性数，由积累塑性应变 e ；和积累塑性体积应变成两部分组成即 f ， ￡省 ，2 哿 1 则村料损伤因子D 和损伤囡子变化率D 定义为 D e } 瞄 ／e ； 2 D 一 ，田 ／吨 3 其中e j 是静水压力为P 时材料断裂破坏的积累等 效应变．那么在，时刻的e 和D 可表示为 j；j 屯 l 喵 麟 d r f 喵d ，十l ，z 出 4 i ‘ D 【lE 写d r 十I 卢苫出 ／E ‰ j jt 作最简单假设，材料纵向靼性模量E 。和塑性体 积模量K 。在冲击作用过程中保持不变，则有 D 一童 击胁走忙州 箍斗美『筹斧 ㈣ ￡三E 。毒K ，砖r ．p ⋯ 式中．f 为材料的等效积累冲量。材料破坏损伤示 性数D 是载荷作用的等效积累冲量的发展结果，瑶 值的发展速度和积累大小决定了材料破坏过程和结 果。表示材料破坏程度的损伤积累函数町写成” 厂1 P ．D ．￡ 一 1D K P 1 } l n 1 r l ／E ． ] ／口。 7 混凝土靶断裂破坏时的模型可以有如下形式 岛。一口。 l 一_ 厂1 P ，D ．E [ e x p 4 E 。 ] 8 8 ￡ I g E ／￡。 9 ￡o P 一￡ 、 1 ～尸／n ”z 1 0 其中t 是材料的静态抗压强度战是材料的初始常 数坦，和巩分别为动态和静态抗拉强度；A 、B 和 是混凝土材料常数；D 、和D 分别为材料常数；e P j 为压力为J r 时材料破坏断裂时的等效积累应变 临界值；，Ⅶ【，．D ，， 是材料的等效积累塑性应变。显 然模型中忽略了材料弹性嘘变对破坏的贡献。 材料的“t 皿4 是e 或f 的函数，如图2 所示。在开 始阶段材料冲击应变率很高，其动态抗拉强度急剧 上于} ，可达到静态正的2 ．5 倍以E ，随着积累塑性 应变的增大．材料内部微观裂纹的产生和扩展导致 乳快速下降，当材料受到充分和足够的冲击作用后， “则下降趋于甚至低于静态的∞值。在“曲线F 的 阴影表示应力所作的功，其面积大小达到临界值，“ 并且当地抗拉应力大干当地临界值时材料发生破 坏同样，对于材料动态抗压强度‰与静态抗压强 砼破坏机理的初步研究 9 度“也有类似的关系。 图2 材料动志抗拉强度随等效积累塑性应变的关系 图3材料损伤功函数随等效税累塑性应变的关系 罔3 为单位迎载面积上的等效积累冲量，。。随 积累塑性虚变的变化关系曲线．曲线上有一个临界 值，，。同时，材料还存在一动态塑性积累应变临界 值吐，，当材料所受的等救积累冲量和积累塑性应变 都超过时就可以判断混凝土靶出现宏观断裂破坏， 如在I 区范围内。在Ⅳ区】。～3 ’炸药的冲击作用。 其等效积累冲量比和积累塑性应变均小于其临界 值．尽管承受的冲击超压大于材料的抗压强度，不能 造成断裂破坏。在Ⅳ区还有可能足作用在靶板上的 瞬间超压很高，但由于作用时间短，产生的积累冲量 太小使材料内部来不及产生微观裂纹和进一步扩 展．仍不能导致材料破坏，在Ⅲ区，则是材料中出现 大于e 但，。小于其临界值，不能导致材料破坏，这 种情况一般不出现。I 区为超高冲击压力作用区，足 指超压大到可以直接产生夫于材料的如值．这可由 较大的装药量来实现。显然，在I 区可以靠较小的爆 压和较长冲击作用时间的4 。装药来实现破坏；所 以，采用水中冲击波超压公式计算超压值，并与混凝 土靶静态n 值比较来判断混凝土靶是再破坏是不 全面的。图3 中实验测试值与理论曲线基本』_ 斜I 符 台，说明所建立的等效科累冲量破土f 、雨数模型是合 理的。 根据实验条件和混凝1 ．树料特性，汁算中参数 万方数据 值取为口。一3 77 M P a ，d ．．一4 ．0 3 M P a ，E ．一】O ，D ． 一c 一．0 0 ‘．， 二 l1 二，E 二 O ．19 ．e 。一03 ，A 一0 ．0 16 4 ．B 2 ．0 8 6 ，K 1 ．o 1 07 ，比一；】2 0k g m ／s 。 4 结语 采用i 种不同的炸药，对混凝土靶进行r 水巾 爆炸冲击实验．在不同历史曲线的冲击载荷作用下 观察靶板的破坏情况。在距炸点不同距离上进行了 冲击波压力测量．超压测试值与常规水中超压计算 公式值符合很好。 根据测量的压力历史曲线，得到了冲击载荷的 典型持续时间量、超压和有效积累冲量等数据．并结 合到实验结果对混凝土材料水中冲击破坏的原因进 行了分析，分析了水底混凝土靶冲山- 时的受力状态， 混凝土的破坏主要是由等效积累塑性应变和积累塑 性体积应变两部分综合作用造成的。冲击载荷的总 冲量可以分为两部分一部分是引起等效积累塑性 瘟变的破坏冲量，它对混凝土的破坏起主要作用；另 一部分是引起等效体积应变的破坏冲量。 引入了损伤因子和损伤积累破坏函数，初步建 立丁水中混凝土材料冲山破坏的模型。实验推算结 爆破 果与理论预测基本符合。 参考文献 】 陈书字．陈伟光．混凝土本构模型吱其有瞅元筲法研究 [ J 1 上海力学．19 9 8 ，1 9 2 2 3 1 j o ㈣＼S ．AF a l l u r cc r I t c n o nf u rc 州r e I e i I j I E n g nM P ch ．D L vA S C E ．19 7 7 1 0 3 5 2 7 i j j ． 3C h c nA 、T ，C h e nWFC o n s t l t l l t PR P h t l o l lf o rC o l l c ㈨P [ J ] J ．E n g nM e c hD 1 vA s c F ．1 97 j 】o ．16 j 47 5 1 H ’l m q u l 计，TJ ，J o h n s o nGR ．C o o kWH AC o m m J la t I u nC c m s t l t u t I v eM o d e lf n rC n n c r P t Pac I ， 。舻S 1r m s L A ]H 1 9 hR a t e s a n dH 1 9 hP r e s s u r e ，T h Pl4 t hI n t P r n a 1 1 。n a ls y 【n p 。洲m ∞B a l l l s t Ⅲ[ C ] ．10 9 j 5 傅晓南．工程材料率构方程．北京中国建筑T 业出版社， i 9 9 j ， 6 邓宏见，肖宏伟．赵永言侵彻分析中的一种混凝土本掏 模型L A J ．常规武器应用研究文选[ c ] ，l9 9 7 1 f 一l f H 7R 叫；HC ．A ．H l g hS t f a l nR a t ㈨ 、 】n c r e t c ＆r c “g t hA n A 2 2 4 49 ．1 9 9 0 ． 8SL ⅢlswP r o 即r t l e s 。fC 。n c r e l eS L l b j e c t P dt oI m 胂c t J ] ． J 0 u r n a lo fS t r u f t I l r a 】E “9 1 脚r 1 0 8 ，l9 8 3 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