砂浆板冲击破坏试验研究

第一作者顾培英女，教授级高级工程师，1968年4月生

砂浆板冲击破坏试验研究

顾培英1,2，邓昌1,2，章道生1，汤雷1,2，王建1,2

(1.南京水利科学研究院，南京210029； 2.水利部 水科学与水工程重点实验室，南京210029)

摘要：通过锤击、均匀冲击荷载试验，采用逐级递增循环冲击加载方式，研究冲击荷载下砂浆板的破坏特征及冲击力、冲击能与最大加速度响应间关系。试验表明，二种冲击作用均使砂浆板跨中区域出现贯穿裂缝，呈脆性劈裂破坏形态，均匀冲击作用下破坏位置与跨中有一定偏移；锤击力时程经历主冲击、次冲击、卸载三阶段，加速度响应随锤击力增加而增加，裂缝贯穿后冲击力、加速度响应大幅减小；均匀冲击下加速度有二组响应区，响应随冲击能增加而增加，当冲击能达一定程度时响应大幅减小；继续增加冲击能，响应又会增加，并较快发生劈裂破坏，响应大幅减小；支座螺栓松动能缓冲部分冲击作用。

关键词：冲击荷载；振动；破坏；砂浆板

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-03-10

中图分类号:TV32文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075288)

Damage tests for a cement mortar plate under shock load

GUPei-ying1,2,DENGChang1,2,ZHANGDao-sheng1,TANGLei1,2,WANGJian1,2(1.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Key laboratory of Water Science and Engineering, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China)

Abstract:Hammering and uniform shock tests of a cement mortar plate were conducled. The opposite sides of the plate were elastic supports. Through cyclic shocks with amplitude increasing, the failure features, the relationship between shock force and acceleration response, and the relationship between impact energy and acceleration response of the plate were studied. The results showed that a transverse crack nearby the midspan of the plate appears, its failure state is brittle splitting; the location of failure offsets the midspan under uniform shock; time history curves of the hammering force include three stages of major shock, secondary shock and unloading; the acceleration response of the plate increases with increase in the hammering force, however, the hammering force and acceleration response decrease obviously after the transverse crack appears; there are two groups of acceleration response regions under uniform shock; the acceleration response increases with increase in impact energy; once impact energy reaches a certain level, the acceleration response decreases obviously; if impact energy continuously increases, the acceleration response increases again, brittle splitting failure occurs rapidly, and the acceleration response decreases obviously again; furthermore, support bolt loosening can absorb some impact energy.

Key words:shock load; vibration; damage; cement mortar plate

建筑物因受静载或偶然或人为所致冲击荷载作用，其结构或构件往往表现出不同于常规荷载作用的破坏特征及受力性能。研究表明，美国世贸中心倒塌的直接原因为火灾削弱结构构件及上部结构塌落冲击共同作用，结构进入倒塌阶段后，非撞击区连续破坏主要因撞击区以上结构塌落的冲量，冲击远大于堆载影响，堆载并非结构连续倒塌主要原因[1]。此外，为适应城市对国防、反恐、治安、消防等需求，一些超高层建筑在屋顶设直升机停机坪，屋顶强度应考虑直升机粗猛着陆时的冲击载荷[2]。建筑物整体倒塌主要因梁、板、柱等主要受力构件遭破坏，从而引起整个结构倒塌。

国内外已有对混凝土材料动态力学性能的试验研究[3]。混凝土结构或构件冲击性能试验研究也已开展，试验大多采用落锤冲击方法。王新武等[4]通过跨中施加落锤冲击荷载方法研究带覆土无粘结部分预应力混凝土梁的抗冲击性能。张望喜等[5]利用轻气炮试验装置进行钢管混凝土柱模型冲击试验，获取构件冲击荷载下应变时程曲线及破坏形态。涂劲松等[6]对简支钢管混凝土跨中挠度进行落锤冲击试验分析。任晓虎等[7-8]用落锤冲击实验机分别对高温作用后的钢管混凝土短柱、梁进行抗冲击性能试验研究。李立军等[9]对钢管混凝土抗侧向冲击性能及破坏特征进行试验研究。

混凝土结构局部损伤与整体破坏间关系一直为工程界研究热点，顾培英等[10-11]提出的基于重整化群理论的混凝土结构整体安全评价方法，从板式结构着手，不但对楼板、桥面等冲击破坏开展更深入研究，且能更好为大体积结构如重力坝冲击荷载下安全评价提供技术支持。本文利用砂浆板模拟混凝土板，通过锤击、均匀冲击系列动荷载试验，采用逐级递增循环冲击加载方式，重点研究冲击荷载作用下砂浆板的破坏特征及冲击力、冲击能与最大加速度响应间关系。

1试验方案

1.1试件制备

试验构件为对边螺栓连接砂浆板。试件分为二组，分别为板面中心锤击荷载试验4个、板面均匀冲击荷载试验3个。试件尺寸为1 180 mm600 mm100 mm。砂浆通过搅拌机搅拌后木模浇筑成型，到龄期后进行砂浆试块材料力学性能试验，砂浆试块弹性模量13.1 GPa，抗压强度25.4 MPa，泊松比0.18。

1.2试验装置

兼顾其它同步测试项目，如高速摄影、声发射，并考虑可观测性，砂浆板须垂直放置。振动试验装置包括激励设备或装置、传感及信号放大设备、信号采集设备、信号分析系统。试验选用DFC-2中型高弹性聚能力锤、自行设计冲击板、CA-YD-107加速度传感器、INV-8 多功能抗混滤波放大器、INV306U-6260智能信号采集处理分析仪及DASP智能数据采集、信号分析系统。其它同步测试试验装置介绍略去。

板左右两侧通过支墩、角钢及螺栓固定，理想状态下边界条件可近似为固定支座。需要说明的是，由于砂浆板属脆性结构，且木模浇筑难以达到理想平整度，故螺栓不能拧太紧，否则会损坏试件。试验时支座部分螺栓可能松动，试件在支座处可能会发生局部回弹。

图1　冲击激励装置 Fig.1 Device of shock excitation

图2 锤击荷载试验加载及传感器布置图(单位:mm)Fig.2Layoutofloadandsensorsabouthammeringtest(unit:mm)图3 均匀冲击荷载试验加载及传感器布置图(单位:mm)Fig.3Layoutofloadandsensorsaboutuniformshocktest(unit:mm)

据加载方式，冲击激励装置分两类，见图1(部分为声发射传感器，研究结果另文，此处略去)。锤击激励装置利用绳子悬吊聚能力锤(类似摆锤冲击)，通过调整力锤与砂浆板水平距离改变冲击能，冲击力值通过力传感器测得。为保证加载方向水平，并对准板面中心预先调整锤头方向，见图1(a)。均匀冲击试验激励装置自行设计，将4块900 mm140 mm10 mm钢板作为加载板，每块加载板分别用2根角钢悬吊，高度相等，并将滑轮与顶部加载板相连，见图1(b)、(c)。考虑加载板间相互作用及摆臂变形、摩擦力等影响，用HX-3型高速摄像机分别测得4块加载板接触试件前的瞬时冲击速度及接触时刻计算冲击能。测试结果表明，4块加载板基本能同时接触试件，冲击速度差异不大，近似认为冲击力均匀。测得顶部加载板提升高度与平均冲击速度关系曲线见图1(d)。由于摆臂质量仅为加载板的2.89%，冲击能更小，故忽略其冲击能影响。

在锤击荷载试件加载面安装7只加速度传感器，见图2。均匀冲击荷载试验在试件背面安装8只加速度传感器，见图3。

2试验结果及分析

2.1锤击荷载试验结果及分析

本文研究砂浆板冲击破坏问题，结构非线性不容忽视，加载过程至关重要。采用逐级递增循环冲击加载方式，锤击荷载试验加载过程及破坏描述见表1。锤击作用下砂浆板加载面破坏形态见图4。典型锤击冲击力及加速度响应时程曲线见图5。锤击冲击力与最大加速度响应关系曲线见图6，图中为3个试件的锤击试验结果。由于B1-2砂浆板部分加速度响应过载，冲击力较大时未测到最大加速度响应值，故对B1-2加速度响应不作分析。

表1　锤击荷载试验加载过程及破坏描述

注：L值为力锤与试件的初始水平距离，单位：cm。

图4　锤击作用下砂浆板加载面破坏形态(板正面) Fig.4 Failure shapes of loading surface by hammering (the face of plate)

据表1、图4并结合试验过程可知，冲击力较小时，砂浆板在支座螺栓连接处附近先出现裂缝。随冲击力增加在跨中区域出现贯穿裂缝，呈劈裂破坏形态，属脆性破坏，贯穿裂缝穿过板面中心锤击处。由于支座螺栓连接处存在应力集中，先出现裂缝以释放部分能量，在冲击作用下因跨中动位移最大，作为脆性材料的砂浆板发生跨中劈裂破坏。由图5(a)看出，锤击冲击总作用时间6.06 ms，冲击力时程曲线经历三阶段，依次称主冲击段Ⅰ、次冲击段Ⅱ及卸载段Ⅲ。主冲击力峰值最大，作用时间1.17 ms；次冲击段含3、4个小峰值，作用时间4.89 ms。图5(b)表明，加速度响应值随冲击作用时间逐渐减小，响应时间约11 ms。

由图6曲线趋势看出，加速度响应随冲击力增加而增加。裂缝贯穿后尽管增加冲击能，但冲击力、加速度响应大幅减小，此因锤击裂缝贯穿后的砂浆板裂缝宽度进一步增大位移响应增加，耗散大量冲击能。分析得B1-1、B1-3、B1-4最大锤击力分别为14.0 kN、11.2 kN、10.3 kN，平均11.8 kN。7#测点加速度响应最大，3个试件最大加速度分别为300.8 g、298.2 g、306.6 g，平均301.9 g。劈裂破坏前一级锤击作用下各测点峰值加速度响应最大、最小、平均值分别为300.8 g、51.8 g、157.2 g。图6(b)中在L=70 cm锤击作用下B1-3出现贯穿裂缝。而4#测点加速度响应规律例外，响应值较大，主要因为该测点与其它测点不在贯穿裂缝同侧(图4(c))，因而引起4#测点响应规律差异。图6(c)曲线基本符合此规律，只是冲击力较大时部分测点响应规律略有偏差，此因该砂浆板平整度不佳，右支座缝隙较大，较大冲击力作用下支座螺栓发生松动，耗散部分冲击能。

图5　典型锤击冲击力和加速度响应时程曲线 Fig.5 Time history curves of force and acceleration response by hammering

图6　锤击冲击力与最大加速度响应关系曲线 Fig.6 Relationships between the maximum of hammering force and acceleration response

2.2均匀冲击荷载试验结果及分析

均匀冲击荷载试验加载过程及破坏描述见表2，砂浆板破坏形态见图7，典型均匀冲击作用下加速度响应时程曲线见图8，冲击能与最大加速度响应关系曲线见图9。

表2　均匀冲击荷载试验加载过程及破坏描述

图7 均匀冲击作用下砂浆板破坏形态(板背面)Fig.7Failureshapesbyuniformshock(thebackofplate)图8 典型均匀冲击作用下加速度响应时程曲线Fig.8Timehistorycurveofaccelerationresponsebyuniformshock

据表2、图7，部分破坏与锤击试验结果类似，均匀冲击作用下最后也出现贯穿裂缝，呈劈裂破坏形态，区别在于锤击贯穿裂缝穿过板面中心，而均匀冲击破坏位置与跨中有一定偏移。对板面较平整的砂浆板，其支座螺栓紧固力较大，在冲击作用下不易松动，支座缓冲作用较弱，作用在板面的冲击能相对集中，板面更易破坏(如B2-3板)，锤击试验过程中发现类似情况。虽理论上均匀冲击作用下跨中动位移最大，该处也应最易发生破坏，但由于加载钢板与砂浆板接触很难保证绝对均匀一致，故实际破坏位置与理论分析有一定差异。

大多数测点加速度响应时程曲线分二组响应区(图8)，二组响应时间分别平均为16 ms、19 ms，响应总时间平均35 ms。 据图9曲线趋势可知，支座有一定缓冲作用的B2-1、B2-2板规律相似。加速度响应随冲击能增加而增加。冲击能达一定程度后，加速度响应大幅减小，冲击能继续增加，响应又增加，但很快发生劈裂破坏，加速度响应再次大幅减小。第一次加速度响应减小因支座附近局部开裂及螺栓松动引起。第二次响应减小因贯穿裂缝、局部破坏及肉眼未观察到的损伤耗能所致。B2-1、B2-2、B2-3板最大冲击能分别为1509 J、1337 J、1075 J，B2-1、B2-2平均为1423 J。均匀冲击作用下各测点峰值加速度响应最大、最小、平均值分别为923.7 g、51.0 g、264.2 g，大于锤击响应。

图9　冲击能与最大加速度响应关系曲线 Fig.9 Relationships between impact energy and the maximum of acceleration response

需要指出的是，本文虽对冲击荷载作用下砂浆板振动响应、破坏特征进行分析，但仍有不少问题尚需进一步研究，即①试验发现支座螺栓松动有一定耗能作用，但如何进一步规范标准支座，消除支座影响；②冲击荷载作用下，试件内外部损伤或破坏的定量、定位声发射规律及基于高速摄影技术的裂缝规律；③冲击作用下大体积结构如重力坝局部损伤与整体破坏间规律。

3结论

本文通过锤击与自行设计的均匀冲击荷载试验装置，采用逐级递增循环冲击加载方式研究系列冲击荷载作用下砂浆板的破坏特征及冲击力、冲击能与最大加速度响应关系。结论如下：

(1)板面中心锤击作用时，支座螺栓连接处首先出现裂缝，随冲击力增加，穿过锤击处的跨中区域出现贯穿裂缝，呈劈裂破坏形态，属脆性破坏。锤击冲击力经历主冲击、次冲击、卸载三阶段。加速度响应随锤击力增加而增加，裂缝贯穿后尽管增加冲击能，但冲击力、加速度响应大幅减小，此为裂缝贯穿后耗散大量冲击能的缘故。较大冲击力作用下支座螺栓发生松动，耗散部分冲击能。

(2)均匀冲击作用下，砂浆板也呈劈裂破坏形态，但破坏位置与跨中有一定偏移。支座螺栓紧固力较大的试件，冲击缓冲作用相对较弱，砂浆板更易破坏。加速度响应时程曲线分二组响应区。响应值随均匀冲击能增加而增加，当冲击能达一定程度后，加速度响应会大幅减小，若继续增加冲击能，响应又会增加，但很快发生劈裂破坏，响应再次大幅减小。第一次响应减小是由于支座附近局部开裂及螺栓松动耗能引起。第二次响应减小是贯穿裂缝、局部破坏及肉眼未观察到的损伤耗能所致。均匀冲击响应大于锤击响应。

参考文献

[1]陆新征，江见鲸. 世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析[J]. 土木工程学报，2001，34(6):8-10.

LU Xin-zheng, JIANG Jian-jing. Dynamic finite element simulation for the collapse of world trade center [J].China Civil Engineering Journal, 2001，34(6):8-10.

[2]GJB3502-1998,军用永备直升机机场场道工程建设标准[S].

[3]宁建国,商霖,孙远翔. 混凝土材料冲击特性的研究[J]. 力学学报，2006, 38(2):199-208.

NING Jian-guo, SHANG Lin, SUN Yuan-xiang. Investigation on impact behavior of concrete[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(2):199-208.

[4]王新武,李砚召. 带覆土预应力混凝土梁抗冲击试验[J]. 华中科技大学学报(自然科学版),2008, 36(9):113-116.

WANG Xin-wu, LI Yan-zhao. Experimental study on anti-impact properties of a partially prestressed concrete beam with covering soil[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Nature Science), 2008, 36(9): 113-116.

[5]张望喜,单建华,陈荣,等. 冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究[J]. 振动与冲击，2006, 25(5):96-101.

ZHANG Wang-xi, SHAN Jian-hua, CHEN Rong, et al. Experimental research on mechanical behavior of concrete filled steel tubes model under impact load [J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(5):96-101.

[6]涂劲松,穆启华,李珠,等. 钢管混凝土侧向冲击荷载下的变形分析及简化计算[J].太原理工大学学报,2007,38(2):156-159.

TU Jin-song, MU Qi-hua, LI Zhu, et al. Deformation analysis and simplifying computation of concrete-filled steel tube under lateral impact load [J].Journal of Taiyuan University of Technology, 2007, 38(2):156-159.

[7]任晓虎,霍静思,陈柏生. 高温后钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究[J]. 振动与冲击,2011, 30(11):67-73.

REN Xiao-hu, HUO Jing-si, CHEN Bai-sheng. Dynamic behaviors of concrete-filled steel tubular stub columns after exposure to high temperature[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(11):67-73.

[8]任晓虎,霍静思,陈柏生. 火灾下钢管混凝土梁落锤冲击试验研究[J]. 振动与冲击,2012, 31(20):110-115.

REN Xiao-hu, HUO Jing-si, CHEN Bai-sheng. Anti-impact behavior of concrete-filled steel tubular beams in fire[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(20):110-115.

[9]李立军,王蕊. 钢管混凝土结构构件耐撞性能的试验研究[J]. 北京理工大学学报，2012, 32(10):1018-1021.

LI Li-jun, WANG Rui. Experimental study on the impact resistance property of concrete filled steel tubes[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(10):1018-1021.

[10]顾培英,黄勤红,邓昌,等. 基于重整化群的水工混凝土结构整体破坏概率研究[J]. 水利水运工程学报,2010 (4):1-5.

GU Pei-ying, HUANG Qin-hong, DENG Chang, et al. Damage probability of hydraulic concrete structure based on renormalization group theory[J]. Hydro-Science and Engineering, 2010(4):1-5.

[11]Gu Pei-ying, Deng Chang, Tang Lei. Determination of local damage probability in concrete structure[J]. 2012 International Conference on Modern Hydraulic Cngineering. Procedia Engineering, 2012,28:489-493.