输电线路用EPS混凝土缓冲吸能特性的数值研究

张天忠， 李昆梅

(国网安徽省电力公司 建设部，安徽 合肥 230022)

输电线路用EPS混凝土缓冲吸能特性的数值研究

张天忠， 李昆梅

(国网安徽省电力公司 建设部，安徽 合肥 230022)

EPS混凝土具有更加显著的缓冲吸能能力，特别适用于重要输电线路防撞设施。利用数值模拟的方法对两种粒径的泡孔/EPS混凝土进行了数值计算，克服了实验中难以把泡孔和EPS颗粒完全对应的问题，进而研究了泡孔混凝土和EPS混凝土在冲击载荷作用下的缓冲吸能性能。

输电线路；EPS混凝土；缓冲吸能特性

0 引 言

聚苯乙烯(Expanded Polystyrene Sphere，简称EPS)混凝土是一种轻质、多孔，缓冲特性强的复合材料，其作为一种新型建筑节能材料，广泛应用于围栏挡板、夹芯构件和满足抗冲击要求的防护结构中。目前输电线路杆塔所采用的防撞设施主要为普通混凝土，抗冲击性能差，在冲击荷载作用下易发生破坏。EPS颗粒极大地减轻了混凝土的自重并有效地改善了混凝土的脆性特性。因此其特别适用于重要输电线路的防撞设施。

文献[1]描述了EPS颗粒粒径与EPS混凝土强度之间的关系。文献[2]研究了EPS混凝土的抗折、抗压和劈裂强度等性能。文献[3]实验研究了EPS混凝土的破坏特性：在混凝土中EPS材料体积含量相同的情况下，其抗压强度随着EPS颗粒粒径的增加而降低。文献[4]提出了EPS混凝土具有较强的缓冲吸能特性，且可用于抗冲击防护结构中。文献[5-8]结合材料应变率效应研究了EPS体积含量对EPS混凝土缓冲吸能性能的影响，描述了EPS混凝土的缓冲吸能性能与试样破坏程度之间的关系。研究表明：利用实验的方法难以单独考虑到EPS混凝土中的EPS材料所起到的作用，而数值模拟方法可以弥补其不足。

基于EPS混凝土的应用范围越来越广，但在冲击载荷作用下因其涉及到大变形和极其复杂的应力状态等问题，其动力学性能研究较少，动态数值模拟研究更加缺乏。因此，通过数值模拟EPS混凝土在冲击载荷下的特性可以促进人们对其有更深刻地认识。在此，利用数值模拟的方法研究EPS混凝土在冲击载荷作用下的缓冲吸能特性。

1 模型参数

数值模拟EPS混凝土SHPB实验中的压杆和试样的直径均为37 mm，入射杆、试样和透射杆长度依次为1 500 mm、18 mm和1 000 mm。利用弥散性较小的正三角形速度脉冲加载，最大速度峰值为10 ms-1，脉冲宽度为200 μs。

数值模拟中利用了考虑大应变和应变率效应的H-J-C材料本构关系模拟混凝土基体材料，具体材料参数见文献[9]中的表3-1。数值计算中的EPS材料采用可压扁泡沫材料模型，具体材料参数参考文献[10]。

2 数值研究

利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算，采用文献[10]中的“三波法”公式得到应力-应变曲线。为了研究EPS泡沫材料对EPS混凝土的缓冲吸能性能的影响，数值模拟了混凝土试样结构完全相同的泡孔混凝土和EPS混凝土。具体内容包括：① 数值计算得到了四种体积含量的泡孔混凝土和相对应的EPS混凝土的应力-应变曲线。② 数值模拟给出了两种EPS颗粒粒径(泡孔孔径)的应力-应变曲线，并进行了相关的对比分析。

2.1 数值模拟结果

数值模拟得到了EPS颗粒粒径(泡孔孔径)为1 mm(3 mm)混凝土的应力-应变曲线如图1所示。

图1 泡孔/EPS混凝土的应力-应变曲线

从图1中可以看出，EPS粒径和孔径均为1 mm混凝土的应力-应变曲线有一定的差异，其规律是：随着EPS颗粒体积含量的增加，EPS混凝土吸收的能量要比泡孔混凝土吸收的能量更多；EPS粒径和孔径均为3 mm混凝土的应力-应变曲线具有明显的区别，其规律性与前者相同，且EPS混凝土较泡孔混凝土的缓冲吸能特性体现得更加明显。进一步分析图1可知，EPS材料本身具有的缓冲吸能特性在3 mm粒径的EPS混凝土中体现得尤为显著，并且EPS混凝土的峰值应力随着EPS的体积含量的增加而降低，而在EPS体积含量相同的情况下，1 mm粒径较3到mm粒径的EPS混凝土具有更高的应力峰值；泡孔混凝土亦有类似的变化规律。

2.2 比较分析

2.1节中只是定性地对曲线进行了说明，为了更加精确地描述EPS材料在EPS混凝土受到冲击载荷作用时缓冲吸能特性中所起作用的大小，引入一个比值公式 ，即

λ=WE/WK

(1)

其中，WE和WK分别代表EPS混凝土和泡孔混凝土在冲击载荷作用下吸收的能量。

图2定量地给出了EPS混凝土与泡孔混凝土在冲击载荷作用下吸收的能量之比，其横坐标φ代表泡孔/EPS材料的体积含量。由图可知，随着EPS体积含量的增加，EPS混凝土比相应的泡孔混凝土吸收的能量更多，尤其是3 mm粒径的EPS混凝土体现得更加明显。产生此种现象的机理分析可以从能量的角度考虑，在泡孔与EPS体积含量相同的情况下，1 mm粒径较3 mm粒径的泡孔多，即孔壁的总面积大，在压缩变形的过程中，孔壁的变形破坏和相互摩擦等形式吸收的能量更多，而作用在EPS泡沫材料上的能量变少，转化为EPS材料的应变能少，反之则多。由此可得，在相同EPS体积含量的情况下，3 mm粒径的EPS混凝土的缓冲吸能性能更好。

图2 缓冲吸能特性比较

3 结束语

通过对四种泡孔/EPS体积含量(即10%、20%、30%和40%)和两种粒径(即1mm和3mm)的混凝土进行了数值模拟发现：在泡孔和EPS体积含量相同的情况下，EPS混凝土较泡孔混凝土的缓冲吸能能力更强，3mm粒径较1mm粒径的EPS混凝土具有更好的缓冲吸能能力。此外，对于EPS混凝土，其峰值应力随着EPS的体积含量的增加而降低，而在EPS体积含量相同的情况下，1mm粒径较3mm粒径的EPS混凝土具有更高的应力峰值；对于泡孔混凝土，其与EPS混凝土具有类似的变化规律。

[1] Le R R, Parant E, Boulay C. Taking into account the inclusions' size in lightweight concrete compressive strength prediction[J]. Cement and concrete research,2005,35(4):770～775.

[2] Chen B, Liu J. Properties of lightweight expanded polystyrene concrete reinforced with steel fiber[J]. Cement and Concrete Research,2004,34(7):1259～1263.

[3] Miled K,Sab K,Le R R.Particle size effect on EPS lightweight concrete compressive strength:experimental investigation and modelling[J]. Mechanics of Materials,2007,39(3):222～240.

[4] Bischoff P H,Yamura K, Perry S H.Polystyrene aggregate concrete subjected to hard impact[J]. Proc Inst Civil Eng(Part2),1990,89(2):225～239.

[5] 胡泽斌,许金余,彭高丰,等.冲击荷载作用下聚苯乙烯混凝土的吸能特性[J].硅酸盐学报, 2010,38(7):1173～1178.

[6] 胡泽斌,许金余,席 峰,等.EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型[J].振动与冲击,2011, 30(2):65～68.

[7] Chen B,Liu J.Mechanical properties of polymer-modified concretes containing expanded polystyrene beads[J]. Construction and Building Materials,2007,21(1):7～11.

[8] 陈 兵,陈龙珠.EPS 轻质混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制品,2004(3):41～45.

[9] 徐沛保.EPS混凝土的SHPB实验数值模拟[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[10] 徐沛保,巫绪涛,李和平.中高应变率下EPS泡沫的冲击压缩实验[J].实验力学,2012,27(4): 480～485.

2016-10-24；修改日期：2016-10-28

张天忠(1968-)安徽无为人，国网安徽省电力公司高级工程师．

TU502.6

A

1673-5781(2016)05-0669-03