程瑞 CHENG Rui；王玺智 WANG Xi-zhi；郭翰林 GUO Han-lin；高德龙 GAO De-long；雷金菲 LEI Jin-fei；赵云康 ZHAO Yun-kang

（中国矿业大学（北京），北京100000）

0 引言

钢筋混凝土结构被大量应用于现代各种建筑物中，为了更好研究钢筋混凝土的动态力学特性，众多学者针对不同情况开展了研究。付李[1]等针对钢筋混凝土尺寸效应进行研究后发现尺寸效应随着模型在遭受多次冲击后的抗剪作用减小而增大，且试件在遭受多次荷载后发生破坏时，尺寸效应更加明显；余波[2]等针对混凝土梁结构建立简化模型，合理分析混凝土及箍筋共同作用，简化计算公式，并且拥有良好的计算精度，模型兼顾了计算精度及简便性，被用以分析抗剪承载力；廖俊智[3]等采用数值模拟方法研究了钢筋混凝土梁结构在冲击荷载下的剪应力传播规律，随着冲击能量增加，梁体动能转化增加，梁体的破坏模式由整体弯曲转变为局部剪切破坏；包恩和[4]等证明了箍筋加密对最大承载力、破坏前剪切变形有影响，试件的变形能力与耗能性随着箍筋加密增加而增加，而屈服荷载等数据没有太大变化；周锡武[5]等通过试验与数值模拟结合方式得出钢筋混凝土梁结构破坏方式主要取决于局部发生剪切效应，产生冲切破坏后，梁的抗弯抗剪能力是否能够承受剩余的冲击荷载。

1 实验概况

1.1 试件设计

混凝土强度设计为C40 强度，配比参照文献[6]，实验设计分为静态压缩实验和动态冲击实验，静态采用单轴压缩实验方式获取钢筋混凝土的静态强度，试件尺寸为50mm*50mm*100mm 圆柱试件，钢筋骨架的配筋方式为3mm 直径的圆形箍筋配4 根纵筋，配筋率为1.44%，保护层厚度为7.5mm，即箍筋圆直径35mm，纵筋长度85mm。动态实验试件尺寸为50mm*50mm*50mm 圆形试件，配筋型号与静态相同，即3mm 直径钢筋作为纵筋，箍筋圆直径35mm，纵筋长度35mm。

动态及静态实验试件为了确保混凝土强度，采用浇筑方形试件-取芯-打磨的方式制取试件（图1）。首先浇筑尺寸为200mm*200mm*200mm 混凝土试件，并按照钢筋骨架设计计算好骨架位置后进行取芯与切割，为了直观观察钢筋混凝土中骨架对于混凝土强度的影响情况，采用同样尺寸与配比浇筑不同强度钢筋混凝土进行静态压缩试验及素混凝土试件进行动态冲击试验作为对照组，试件养护过程符合工程要求，并利用磨床对两端面进行研磨，其不平行度在0.02mm 以内，试件最终长径误差在±0.02mm。

图1 试件制备过程

1.2 试件加载

静态加载采用0.5mm/s 的加载速率对试件施加压力（图2），并建立试件体积V、最大横向尺寸d、以及高径比h/d3 个参数之间函数，参考文献[7]对不同形状，不同尺寸混凝土试件进行比较后，其抗压强度具有较高相关性，可忽略高径比h/d 影响，即不同尺寸混凝土试件静态抗压强度与标准试件（150mm*150mm*150mm）关系可表达为：

图2 单轴压缩实验力随位移变化曲线

乘以相关系数后得出钢筋混凝土的静态强度为38.9MPa。

动态实验采用Φ50mm 分离式SHPB 试验系统，其实验原理为实验中子弹撞击入射杆后，产生一压缩应力波，由于应力波为一维传播，当应力波到达试件与入射杆界面时，试件波阻抗小于入射杆波阻抗，产生一个反射波，并继续在试件与透射杆界面发生透射反射。当试件长度与应力波的矩形脉冲长度相比足够小时，可视为应力波产生一个反射波进入入射杆，一个投射波进入透射杆，通过粘贴在杆上的应变片分别记录下三个应变脉冲波形，即可计算出材料的应力-应变关系。

首先确保试件两端水平满足实验需求后，调整实验装置，使子弹、入射杆、透射杆处在同一直线上，并在入射杆、透射杆粘贴应变片。为了确保试件位置与杆完整贴合，在试件两端涂抹适量凡士林防止试件滑落。并在入射杆前端放置黄铜材质波形整形器，减弱波形震荡，并延长波形下降沿。设置不同气压下的冲击试验，观察试件从产生裂纹到完全破碎的过程，首先验证入射波和反射波叠加所得曲线与透射波曲线变化规律及数值基本一致（图3），说明实验试件受力平衡，可忽略惯性效应。

图3 透射波与计算值对比

随后采用Origin 软件对实验数据进行进一步处理，设置杆的横截面积为A0、弹性波波速为C0、弹性模量为E0、试件横截面积为A、长度为L。入射、透射截面及试件的应力分别为σ1（t）、σ2（t）、σ（t），入射波，反射波及投射波的应变为 εi，εr，εt。试件两端速度为 u1，u2，试件平均应变为 ε，应变率为。

单位时间内产生的应变（应变率）为：

在t 时间内应变为：

根据作用力反作用力原理，入射端及反射端应力σ1（t）、σ2（t）应满足：

所以试件中的平均应力σ（t）为：

SHPB 实验中导杆、试件应力状态均为一维的假定包含了以下假设：①入射波不震荡；②忽略界面不连续性带来的弥散；③试件的冲击响应是导杆波到的瞬时产生；④试件无力学状态的突变。

由测量出的入射波、反射波、投射波三个波形，通过公式（2）、（3）、（4）即可计算出试件的应力应变，并得出动态荷载下的钢筋混凝土应力应变曲线（图4）。

图4 应力应变曲线

2 实验结果与分析

2.1 动态强度与静态区别

钢筋混凝土试件在静态加载试验中可发现随着强度的增加，其应力应变曲线的峰值也随之增加，但是其发生破坏时的变形则大致相同，这是因为钢筋混凝土试件的保护层较薄，虽然强度增加导致其承受最大应力增加，但是由于其骨架的存在，导致破坏前的变形有限，同时由于其骨架在破坏后有较好的可持续性塑性卸载功能，所以其卸载阶段远长于素混凝土试件。

而在动态冲击下的钢筋混凝土试件则随着冲击速度的增加其动态强度有着明显增加，增加的原因在于随着冲击速度的增加，其试件在发生破坏时，砂浆内部细微裂纹无法充分发育，从而导致应力传播到骨料上，从而使得骨料发生破坏，在对冲击后的碎块观察可发现，随着冲击速率的增加，发生破坏的骨料也明显增多。

2.2 钢筋混凝土与素混凝土动态强度

以冲击速率为11.9m/s 时为例（图4），OA 作为加载阶段，整个试件被整体压缩协调变形；应力骤降段AB，该阶段应力由峰值急剧下降，在AB 段开始产生细小裂纹，其主要发生在混凝土保护层位置，内部部分受到钢筋框架的保护而保持完整；BC 阶段应力的减少处于减缓阶段，但是其应变持续增加，BC 阶段随着外部裂纹的继续扩展，钢筋及其内部混凝土开始承受压力，同时由于钢筋材料的加入，BC 阶段出现类似金属材料的塑性曲线；CD 应力加快衰减速度，但是其变化趋势较为缓和，应为钢筋骨架仍起到部分缓冲作用，CD 段钢筋及内部继续发生破坏，且D点始终低于A 点。并且与素混凝土不同的是，透射波由于钢筋的存在导致试件无法整体变形，钢筋混凝土透射波均呈现较明显的震荡现象。

素混凝土及钢筋混凝土冲击压缩应力－应变曲线的峰后行为可分为三个阶段，即应力骤降段、应力缓冲段及应变软化段。相比于素混凝土，钢筋混凝土中钢筋作用主要反映在应力－应变曲线峰后行为。且二者的应力应变曲线与应变率均呈现出相同的线性关系。

对于波形特征，与素混凝土不同，钢筋混凝土试件在“外破坏”阶段反射波均表现为明显的单峰之后伴随一段近似恒应变率加载，且随着加载速度增高，近似恒应变率加载段也逐渐升高但低于第一峰峰值，波尾表现为明显的“压缩波”段；而随着加载速率的增加，当试件发生“内破坏”及完全破坏时，第一峰仍然存在，但恒应变率加载段逐渐升高，导致钢筋混凝土波形特征也出现“双峰”现象，而透射波的“压缩波”段则逐渐减弱至消失。

钢筋混凝土骨架形态对试件破坏后残留形态有较大影响，两者保持较好一致性，骨架能够在一定程度上起到保护作用，在更高速率冲击下能保持一定残留。与素混凝土的破坏形式由龟裂到粉碎不同，钢筋混凝土的破坏形式由外部破坏到完全破坏，而钢筋混凝土在较低速率下发生与素混凝土截然不同的破坏形态，前者后端破坏更加严重，而后者则是前端破坏严重。钢筋弱界面效应会导致钢筋混凝土动态压缩强度降低，另一方面由于筋架具有较好的初性和变形能力，它对处于筋架内的混凝土又有很好的保护作用。

3 结论

①钢筋混凝土在静态加压时由于钢筋的原因，其强度略有下降，但保持了较好的可持续性塑性卸载功能，能够承受一段时间的持续卸载，且在动态冲击作用下其强度随着冲击速率的增加而增加。

②随着加载速率升高，钢筋混凝土反射波在第一“高峰”后由稳定加载逐渐升高成第二“高峰”但低于第一“高峰”，且由于钢筋的存在导致试件无法整体变形，钢筋混凝土透射波均呈现较明显的震荡现象。

③与素混凝土的破坏形式不同，筋混凝土破坏后的碎块形态与骨架形态有着较大关系在动态冲击作用下其破坏形式发生改变，低速率时其后端发生较为严重破坏，但总体破坏状态与骨架构型保持一致。