钢纤维混凝土杆中冲击波的演化机理研究

2018-07-20陈东生安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230031

安徽建筑 2018年3期

陈东生（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031）

1 引言

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。钢纤维混凝土以其具有高强度、韧性好等力学特性，近年来被广泛应用于民用建筑中，而且还是安全防护工程中常用的工程材料。

伴随着冲击动力学的发展和在实际工程中的应用，结合应力波理论研究此类工程材料中冲击波的强度以及整个应力波波形的演化规律引起人们的更多关注，姚磊[1]等通过计算一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，并得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果；李永池[2]等以杆中一维纵波波动理论和谐波分析法为基础，研究截面变化所导致的应力波的波形弥散和波幅变化，推导了与截面变化相关的应力波演化因子，并对由于截面变化所造成的几何弥散等二维效应进行了分析；李永池[3]等以本构关系一般理论为基础，导出了应变率硬化效应的粘塑性薄壁管的本构关系及管中复合应力波的控制方程，分析了复合应力波的耦合效应以及薄壁管中粘塑性参数和功硬化效应对复合应力波传播与演化规律的影响，并对有关现象进行了分析和解释；李晓杰[4]等讨论了粘塑性靶板中的一维应变波的传播规律，利用广义特征理论导出了应力波传播的特征线和特征关系，利用特征关系和冲击波阵面上的突跃条件，得出了冲击波在传播过程中的演化的规律；J.W.Craggs[5]和朱兆祥[6]等人得出弹塑性波速表达式，并分析了应力波传播特性。

鉴于钢纤维混凝土这类新型复合材料在实际工程中广泛应用，同时考虑到一维应变波的分析对钢纤维混凝土杆的层裂效应和防护有更直接的应用价值，本文以一维应变杆为研究背景，采用数值模拟的方法，研究一维应力波的演化和衰减规律。本研究对于了解冲击波的传播及其演化机理，发现一些影响冲击波传播的因素和提出钢纤维混凝土复合材料的新形式等效本构关系均有很大的科学研究价值。

2 一维应变条件

只在一个方向上如Z方向上拉伸或压缩应变的一维纵波问题称其为一维应变问题，一维应变数学表达式为

有上式可知，一维应变问题中虽然两个侧向应变εy和εx等于0，但在侧向约束作用下侧向应力σy和σx却不为 0，由于两个侧向是对称的，故 σy=σx，即一维应变问题中不为0的应力分量是3个，但我们需要指出的是，侧向的约束则使侧向的应力可以由轴向应力表示出来，故侧向应力与轴向应力是耦合的，因此此类问题仍然属于一维单纯应力波问题。

3 数值计算

3.1 计算模型的建立

图1 计算模型

本文基于ANSYS/LS-DYNA软件进行显示动力分析，杆尺寸：1cm×1cm×100cm，杆单元尺寸：1cm×1cm×1cm；边界条件：ux=0，uy=0，计算模型如图1所示。

3.2 材料参数

钢纤维混凝土杆计算模型：MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，其材料参数如表1所示。

表1

3.3 指数衰减形式外荷载作用下的一维应变杆数值计算

3.3.1 几个典型时刻应力云图和应力剖面图

图2、图3给出了几个典型时刻的应力云图和应力剖面图，由图可知，冲击波在钢纤维混凝土杆中随着外荷载作用距离的增大，冲击波的峰值应力呈现递减规律。

图2 典型时刻应力云图

3.3.2 几个典型位置应力时程曲线

图4给出了几个典型位置的应力时程曲线，由图可知，距离外荷载作用较近处，冲击波的陡度越大，随着距离的增大，冲击波的陡度呈现减小趋势，从而说明钢纤维混凝土具有一定的粘性效应，对冲击波起着弥散和衰减作用。

图3 几个典型时刻应力剖面图

3.3.3 应力波衰减规律

由图2、图3和图4几个典型时刻应力剖面可知，冲击波的衰减规律是随着距离外荷载作用边界的增大，冲击波峰值衰减的越大，并且呈现指数分布的特征，故我们对不同时刻应力波的峰值衰减规律采用指数函数，形如形式进行拟合，如图5所示，由拟合的结果可知，冲击波峰值衰减满足指数衰减规律。相应地拟合出指数函数中的参数，如表2所示。