抗飞机撞击用钢筋接头的瞬间加载冲击试验加载速度研究

莫鲤木

【摘 要】在2008年之前，相关钢筋接头的加载速度以V0=L0的速度进行试验，后改为V0=L0-LP，目前国内尚无相关标准对加载速度进行规范，一般要求加载速度采用V0=L0。为研究不同的加载速度，其试验的结果有何不同，文章对适配φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm钢筋的抗飞机撞击用钢筋接头进行相关的试验和验证，经过对抗飞机撞击用钢筋接头试验数据的研究和整理，对比不同加载速率对结果的影响进行探讨，期望对后续研究有所帮助。

【关键词】抗飞机撞击;瞬间加载冲击试验;加载速度;应变速率

【中图分类号】TU755.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0072-03

0 引言

核电作为重要的清洁能源已在全世界范围内得到了广泛应用，由于核电事故的严重后果，所以核电厂的安全性显得尤为重要，自“9·11”事件发生以来，第三代核电技术就要求核电站主要构筑物具备抗商用大飞机撞击的能力，作为核电站的最后一道防线，保证核电站的安全。这就要求安全壳外壳上所用的钢筋接头具有抗瞬间冲击的性能，并且钢筋接头必须能够在抗瞬间冲击时不破坏在钢筋接头处[1-2]。法国弗拉芒维尔核电站3号机组是世界上较早采用抗飞机撞击用钢筋接头的核电站之一，抗飞机撞击用钢筋接头是建设单位法国电力集团在法国弗拉芒维尔核电站3号机组建设期间提出的概念，该集团对抗飞机撞击用钢筋接头制定了相关的标准和要求。瞬间加载冲击试验最开始是由德国核管理局提出构想，并在法国电力集团的见证下在德国BAM试验室进行试验，最开始要求试验室按V0=L0（L0为两夹具之间的距离，单位为mm）的加载速度进行试验，但后来法国电力集团发现不同规格的接头组件均采用V0=L0条件进行试验时，不同直径钢筋的应变速率不一致，主要是由于不同直径的钢筋连接试件中钢筋接头长度占整个试件的长度不一导致试件中钢筋段的长度不一致，在试验过程中它们的应变率相差较大，无法统一判定结果。虽然瞬间加载冲击试验中高速度是达到高应变率的必要条件，但是高速度并不是试验的最终目标，试验的最终目标是达到指定的应变率，即钢筋接头在钢筋受1 s-1速率变形时的连接能力。所以2009年之后所有的测试条件均改为“V0=L0-LP（Lp为钢筋接头的长度，单位为mm）”，即以两夹具之间的钢筋自由段总长为加载速度。我国自主三代核电站在引进抗飞机撞击用钢筋接头时，对瞬间加载冲击试验的要求是“将标距过的试件放在试验加载器的夹具之间，控制加载应变率为1 s-1，即加载速率V0=L0（mm/s），L0为夹具之间的长度”。这一要求与后来法国电力集团所提的V0=L0-LP有所出入，所以本研究希望通过对比两种不同条件下试验的结果数据进行分析，探讨不同加载速度对结果的影响。

1 试验设备

用于抗飞机撞击用钢筋接头瞬间加载冲击试验的设备为1 000 kN液压伺服冲击试验机，该试验机位于德国柏林的BAM测试中心，是目前全球唯一有资质进行抗飞机撞击用钢筋接头瞬间加载冲击试验的试验室，该冲击试验机是BAM测试中心为测试结构在冲击载荷作用下的受力性能，而研制了伺服液压1 000 kN冲击试验机，该冲击试验机最大极限静力为1 000 kN测试设备，配有超高精度控制阀和强大的伺服阀，传感器采样数据频率为10 000 Hz，同时配备了3 000帧/s的高速摄像机，使试验过程的可控制性、可视性和可靠性得到保障。

试验设备在加载应变率为1 s-1时的最大加载力约930 kN，能够进行最大的钢筋规格是φ40 mm的HRB500级[3]的钢筋接头试验。该试验装置可以根据试件的长度设定加载速率，活塞杆的最大速度分别为4.5 m/s和8.5 m/s。试验设备可在0.05 s内达到试验要求的加载速度，达到加载速度之后能够较平稳地维持在设定目标速度，以便实现试验所需要的加载速度或者应变率。

2 试验说明

应变速率1 s-1即要求钢筋在1 s时间内伸长率从0～100%的长度，即要求加载速度与钢筋伸长段之比为L/s（单位：mm），因钢筋的实际最大力延伸率在10%～16%，所以瞬间加载冲击试验从开始加载到试验结束实际只需0.1～0.16 s。抗飞机撞击用钢筋接头试件的瞬间加载冲击试验要求钢筋接头在拉伸试验过程中始终保持对钢筋的握裹，使试件在试验结果的破坏发生在钢筋的母材上，最大限度地发挥钢筋的性能。

BAM测试中心曾提出，钢筋接头在瞬间加载冲击试验过程中，它的延伸是很小的。应变率是材料相对于时间的应变（变形）的变化，平均应变速率等于△l/t，即△l=△l1+△l2（△l1是表示试验载荷从0到拉断时钢筋接头的增量，△l2表示试验载荷从0到拉断时，非破断段的增量），即总变形=钢筋的变形+钢筋接头的变形。ε接头在实测过程中接头的变形非常小，而试验的目的是实现钢筋的塑性变形，因此应变率为1 s-1应该发生在钢筋，接头本身应保持完好，没有任何明显的塑性变形。因此，进行瞬间加载冲击试验时的加载速率应仅计算两端夹具之间钢筋自由段的长度。

为了验证钢筋接头在试验过程中的延伸率，本研究还进行了相关的数据对比，对比12组抗飞机撞击用钢筋接头的钢筋接头部分在试验前后的变形情况，试验结果发现在钢筋接头试验前和试验后的长度参数对比延伸率分别为0.016%和0.02%，相对比的钢筋的延伸率为9%～14%，钢筋接头区的延伸变化率只占到整个试验延伸的2%左右，所以钢筋接头区间的延伸率在试验过程中可以忽略不计。

假设连接件总长Lg=1.25 m，夹具间的距离L0=1.0 m，钢筋接头段长度Lp=0.36 m，钢筋段长度Ir=L0-Lp=0.64 m，即当采用V0=L0时，不考虑钢筋接头的变形，其钢筋的应变速率为V0  /（Ir）=1/0.6=1.56 s-1，其应变速率较1 s-1的应变速率增加了约56%。所以，如果采用V0=L0時，钢筋的应变速率实际上是比1 s-1要增加的。本研究选取φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm 3种规格HRB500E的带肋钢筋[3]的连接组件进行对比（见表1）。从计算结果可以看出，当采取V0=L0时，同样规格的不同类型的钢筋接头其钢筋的应变率是不一致的，不同的LP长度导致其最终应变速率ε的不同，这导致与相关的标准和测试程序要求1 s-1不同。因此，这种比较非常清楚地说明了加载速度的取值将在很大程度上改变钢筋的应变率，将钢筋的长度（Ir）用于试验速度（v），不同类型的钢筋接头可以得到相应的条件和可比较的测试结果。这一定义确保了每一种类型的钢筋接头的塑性应变率在1.0 s-1左右的钢筋符合相关标准和测试程序的要求。

3 试验设计

为使试验更贴近工程实际应用，试验样品规格分别选取了目前三代核电工程应用最多的φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm型的高速拉伸的数据结果进行对比分析，4件母材中2件静载，2件瞬间冲击。“V0=L0”“V0=L0-Lp”条件的瞬间加载冲击试验各5件，共14件试件，具体试验条件见表2。按BAM试验室要求，母材和连接组件的总长应为（1 250±5）mm，每种规格母材取4根1 250 mm，母材钢筋上每间隔30 mm做一个标记，将母材钢筋分成若干个30 mm的原始标距;将母材钢筋安装至加载装置，记录自由段初始长度L0 （即等于两夹具间距离）。

第1、2组为静载拉伸试验，用于确定试样母材钢号及相关参数，加载速率V0=0.25 mm/s，直至钢筋拉断。

第3、4组为瞬间加载冲击试验，用于确定钢筋在瞬间加载冲击下的性能，作为钢筋接头组件冲击试验的试验依据，加载速率V0=L0，直至破断，值得一提的是，钢筋母材的瞬间加载冲击試验时，没有接头，故无论采用哪个瞬间加载冲击试验的条件均为V0=L0。

第5～9组为“V0=L0-Lp”条件的瞬间加载冲击试验;第10～14组为“V0=L0”条件的瞬间加载冲击试验（见表2）。

记录实际抗拉强度和断后的标距长度;其中，有效测量标距范围：距离夹持区应不小于20 mm且不小于钢筋公称直径d（取两者之间的大值）;距离断裂点应不小于50 mm或不小于2 d（取两者之间的大值）[4-5]。

启动顶部夹持装置，使夹持装置夹紧连接组件上端，降低液压缸，直至底部夹持装置能夹紧连接组件下端;启动加载置，使连接组件处于拉紧状态，测量两夹具之间的尺寸L0、连接头长度Lp，X1、X2为夹持区域;设置加载速度为加载应变率V0=L0-LP，即V0=（L0-Lp）/1 s、V0=L0/1 s，开始加载直至破坏。用高速摄像机记录破断瞬间（如图2所示）。

4 试验对比

试验数据对比见表3、表4、表5。

5 结语

从以上数据对比可以看出，无论是以“V0=L0-LP”还是“V0=L0”为试验加载速度，其抗拉强度均比静载拉伸有较大幅度的提高。“V0=L0-LP”试件的抗拉强度分别比母材抗拉强度提高7.1%、5.7%、6.5%;“V0=L0”试件的抗拉强度分别比母材抗拉强度提高7.2%、6.1%、7.0%。说明钢筋的抗拉强度受加载速度较大的影响，需要通过瞬间加载冲击试验且对钢筋接头的要求也相对提高，这也是目前国内通过该试验的产品不多的原因之一。采取“V0=L0”时，其试件抗拉强度相对“V0=L0-LP”有较小幅度的提升，分别为0.41%、0.56%、0.14%（见表6）。

钢筋应变速率在相对于1 s-1大幅提升时，其拉伸力学性能并没有随着应变速率线性上升，只是相对有微小提升，文中所提及的两种不同的试验条件对钢筋接头的性能要求影响不大;采用“V0=L0”时，对设备要求更高，需要设备在提供一定拉伸力值的条件下提供更快的加载速度。

安全壳外壳在实际发生撞击时，不同区域内的钢筋所受的应变速率并非一致，同一片区域内的不同钢筋更多以相同速度发生变形。在核电工程实际应用过程中，选用“V0=L0-LP”还是“V0=L0”，取决于设计者对抗飞机撞击用钢筋接头的目标，是指定的速度还是指定的应变速率，这将决定最终试验时所采用的加载条件。

参 考 文 献

[1]李军.我国又一项核电科研项目取得重大突破[J].预应力技术，2015（6）：41.

[2]张红军.世界核电技术发展新趋势探讨[J].中国核工业，2016（8）：44-45.

[3]GB 1499.2—2018，钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋[S].

[4]ISO 15835-1Y 2009，Steels for the reinforcement of concrete-Reinforcement couplers for mechanical splices of bars-part1：Requirements[S].

[5]GB/T 228.1—2010，金属材料拉伸试验[S].