CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的不同损伤程度的钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验,以冲击高度、加固层数为试验参数分析CFRP加固损伤试件的裂缝发展、破坏形态及抗冲击性能,并研究试件在冲击荷载下的动力性能。结果表明:试件损伤程度越高,其斜向裂缝发展越密集,试件的破坏程度越严重;落锤冲击高度越高,裂缝发展越趋近于跨中局部化;当采用多层CFRP布加固损伤试件时,试件在落锤冲击作用下保持较好的完整性,仅外部混凝土粉碎掉落;随着CFRP布粘贴层数的增加,试件整体产生弯剪破坏,损伤试件加固修复后的抗冲击能力及刚度相较于完好试件得到显著提升,提升幅度为70%~72%,但增加CFRP布粘贴层数对试件的加固修复效果提升作用有限,且加固效果与抗冲击能力并非呈线性关系;基于有效应变计算的结果可知,采用CFRP布加固修复不仅仅具有加固补强的作用,同时能够在一定的程度上改善试件的整体抗冲击性能。

不同钢纤维掺量全轻混凝土梁落锤冲击试验研究

由于全轻混凝土结构抗剪承载力较低,因此有必要探究钢纤维的加入对全轻混凝土梁动力性能的影响。设计钢纤维体积掺量为0%、1%、2%共3根适筋梁,对其跨中区域进行落锤冲击试验,并利用LS-dyna有限元软件进行数值模拟,对比分析各试件破坏形态、冲击力时程曲线、跨中位移时程曲线。试验结果表明:在相同冲击荷载作用下随着钢纤维体积掺量的增加抑制裂缝产生和发展的现象越显著,并且裂缝相对更加集中于梁跨中区域,支座处裂缝相对减少。钢纤维的加入不影响试件冲击力最大值,但随着钢纤维体积掺量的增加,各试件冲击力第二峰值与最大值之比增加14%和26%,跨中位移最大值与残余位移分别降低3、8mm与3、7mm。经研究得出钢纤维的加入显著提高全轻混凝土梁抗冲击性能。

Thorn-Shape Waveform and Double-Strike Phenomenon Seen in the Impact Force of Soft Materials

In the impact tests of soft materials, we sometimes observe a thorn shape in the rising segment of the impact force waveform. However, the reason for the occurrence of the thorn shape has not been made clear. In this study, thorn-shape waveforms of several soft materials are measured using compact drop test equipment under the condition of a flat frontal impact. A flat frontal impact is the condition where a drop hammer with a flat bottom surface strikes a plate-like soft material in the normal direction. Synchronized impact forces are measured using two sensors installed on both the drop hammer side and the floor side. The examined soft materials are a sponge sheet, sponge rubber sheet, gel sheet, rubber sheet, flat oil clay, low-rebound urethane foam, cork sheet, sliced ham, pork ham steak, and pork. Based on the test results, the features of the thorn-shape waveforms are discussed from a bird’s-eye view. Furthermore, the occurrence mechanism of the thorn-shape waveforms is discussed from the viewpoint of viscosity discontinuity and the double-strike phenomenon.

多胞圆管夹芯组合板落锤冲击试验及数值仿真

为了应对煤矿巷道冲击地压下支架结构破坏严重的问题,提出了一种多胞圆管夹芯组合板。该组合板可与煤矿巷道金属支架结合,通过溃缩变形吸能共同抵御冲击荷载。共设计了4个不同芯层厚度夹芯组合板试件的落锤冲击试验,并建立了有限元模型,基于试验验证了该数值模型,开展了多胞圆管夹芯组合板的冲击响应和吸能特性的参数分析。研究结果表明,冲击作用下,多胞圆管夹芯组合板面板呈现圆盘状凹陷,芯层胞体和十字肋发生了褶皱和下陷变形,各个腔室协同工作、相互支撑,并通过塑性变形吸能。同时底部冲击反力的峰值总是滞后且低于落锤冲击荷载峰值,在多次冲击条件下,该组合板也能展现出良好的吸能缓冲效果。多胞圆管夹芯组合板可吸收超过90.00%的冲击能量,其中65.00%以上能量由芯层结构吸收。芯层厚度从0.5 mm增加到2.0 mm,芯层部分吸收能量的占比增大了24.17%,相反面板吸能效率递减,减幅为17.17%,芯层厚度减小可降低峰值冲击荷载,芯层厚度为1.0 mm时吸能效果较好。面板厚度对吸能性能影响较小,建议其厚度选择与芯层厚度相近。冲击能量一定情况下,改变落锤质量和冲击速度对结构动力冲击性能和吸能效率的影响很小。

粗骨料纤维充填体的力学特性与能量损伤演变规律

为提升充填体的抗拉性能、抗裂性能和韧性,通过抗压、巴西劈裂和落锤冲击试验研究了聚丙烯纤维对充填体强度特征、变形特征、抗冲击性能和能量演变的影响。结果表明:随着纤维掺量增加,充填体强度先增大后减小,弹性模量逐渐降低;掺入纤维后,充填体总耗能增加,达到峰值后释放动能减小,摩擦内能增加,可促进弹性应变能转变为耗散应变能;随着纤维掺量增加,充填体冲击耗能、延性比和韧性系数先增大后减小,终裂形态由“开裂即碎”演变为“裂而不碎”;掺入0.10%纤维的充填体抗拉强度、韧性和抗冲击等性能最优。强化机制主要是充填体内纤维“筋网结构”延缓裂纹产生、抑制裂纹扩展和提升能量吸收上限。研究成果有助于提升采场充填体顶板的稳定性,保障矿山生产作业安全。

泡沫铝基耗能装置在铁路桥墩防车撞中的应用研究

随着公路、铁路、城市立交桥的大量建设,跨线桥数量剧增,桥墩被汽车撞击的可能性大大增加。因此,针对目前铁路桥墩防车撞防护装置的不足,提出了一款泡沫铝基组合耗能装置的结构型式。该研究结合了静力压缩试验、落锤冲击试验以及有限元数值模拟,研究了防撞装置缓冲材料的物理力学性能及车辆撞击防撞装置的冲击动力学响应。结果表明,泡沫铝-聚氨酯-泡沫铝三层组合结构型式中工况3~4吸能效果最佳,其吸能密度(EA)、比吸能(SEA)以及吸能效率(EEA)值分别为3×10^(3) kJ/m^(3)、12.21 kJ/kg、28.57%。在数值模拟中,无防撞装置工况下,车辆撞击力最大值为5 332.99 kN,桥墩吸收的能量为22.05 kJ,最大应力为124.46 MPa,墩身产生明显损伤;在有防撞装置工况下,车辆撞击力最大值为2 674.41 kN,降低了49.85%;桥墩最大应力为6.96 MPa,降低了94.41%。结果表明该防撞装置组合结构对桥墩起到了良好的防护效果。

一种组合式二级缓冲吸能装置的吸能特性研究

基于胀管和泡沫铝的缓冲吸能特性,以能量吸收值为设计目标,提出了一种新型二级缓冲吸能装置设计方法,并通过准静态压缩试验和落锤冲击试验验证了该方法的有效性。试验结果表明:该二级装置可实现预期的多级梯度应力平台。建立了二级缓冲吸能装置的有限元模型,通过仿真分析其在不同冲击工况下的动态响应和能量变化特征,该装置泡沫铝和胀管部分吸能占比可达80%,且更换主要耗能部分后其余构件可实现重复使用,并针对其失效模式提出优化方法,有效增加耗能材料的利用率和装置的整体稳定性。

增幅冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能

钢筋混凝土板在服役期间可能承受落物多角度连续撞击等多次冲击荷载作用,钢筋混凝土板抵抗多次冲击的能力、多次冲击作用下钢筋混凝土板的性能演化和剩余性能评估等问题至关重要,其中,多次冲击的加载制度是研究钢筋混凝土板抗冲击性能的重点。为研究多次冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能,利用落锤和摆锤试验研究钢筋混凝土板在增幅冲击下的抗冲击性能,获得钢筋混凝土板在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形特征,分析钢筋混凝土板的吸能特性和累计损伤演化规律,研究钢筋混凝土板受冲击后的残余性能。结果表明:冲击角度对钢筋混凝土板的变形有显著影响,斜向冲击对钢筋混凝土板安全性能的影响更大;增幅冲击降低钢筋混凝土板的吸能能力,提高其破坏率,钢筋混凝土板的冲击响应相对于恒重重复冲击更加稳定。

落锤冲击下冻结单裂隙砂岩力学及声发射特征试验研究

高原寒区矿山岩体受低温环境和动载扰动等影响会产生失稳现象。现有研究大多围绕裂隙砂岩在不同冻结温度下的静力学特性,考虑到工程开挖的影响,需要进一步研究冻结裂隙砂岩在动载作用下的力学及声发射特征。开展了冻结单裂隙砂岩的落锤冲击试验,结合声发射监测技术分析了冻结单裂隙砂岩力学及声发射特征。试验结果表明:①裂隙倾角增加会引起应变时程曲线在应变峰值前回弹幅度增大,裂纹由裂隙两侧分布转变为裂隙上下两端分布;落锤下落高度增大后,应变时程曲线在应变峰值前出现明显双峰回弹,破坏明显加剧;冻结温度降低会使应变峰值出现时间提前,且应变峰值增大。②微裂纹扩展具有阶段性特征,在应变峰值处对应较强的微破裂活动并伴有剧烈的能量释放。③微破裂活动性随裂隙倾角增大呈先增后减趋势;落锤下落高度增大,微破裂活动剧烈程度阶段性递减;冻结温度降低使微破裂活动发生时间提前。④微裂纹主要以张拉裂纹为主,与宏观的破坏模式对应。⑤熵值急剧增加是砂岩破坏前兆,可作为砂岩动态失稳的预警指标。

冲击荷载作用下钢管再生混凝土柱损伤评估分析

为研究钢管再生混凝土柱在冲击荷载作用下的损伤,进行了16根钢管再生混凝土柱的落锤冲击试验。在试验的基础上建立了钢管再生混凝土柱的有限元模型,分析不同冲击速度、冲击质量、截面含钢率对钢管再生混凝土柱损伤程度的影响。通过控制冲击质量与冲击速度,基于损伤因子d_(s)和弹塑性转角θ,划分损伤评估等级,拟合钢管再生混凝土柱损伤评估曲线。结果表明:建立的有限元模型能很好地吻合落锤冲击试验的结果,最大误差不超过10%;冲击过程中跨中挠度峰值出现时间远远滞后于冲击力峰值出现的时间,冲量是动量的1.23倍;随着冲击速度的增加,跨中挠度呈抛物线形的增长趋势,冲击质量增加对冲击力峰值影响较小,但对跨中挠度有较大影响,随着截面含钢率的增加,构件的耗能几乎稳定在90%附近;从损伤曲线图可以快速判断钢管再生混凝土柱的整体损伤情况及局部损伤情况。

PVC-U排水管材的密度与物理力学指标关系分析

按GB/T 5636.1—2018对367批次PVC-U排水管的密度、拉伸屈服应力、断裂伸长率和落锤冲击试验指标进行了测试并统计分析。研究发现,随着密度的增加,拉伸屈服应力不合格发生在密度不合格之前,而断裂伸长率和落锤冲击试验不合格发生在密度不合格之后。从实际应用、理论与标准化的角度分析了密度指标在PVC-U排水管材中设立的原理和效果,认为在PVC-U管材产品标准中设立密度指标缺乏实用价值,建议取消。

HTPB固体推进剂落锤撞击试验及点火响应模拟

HTPB复合固体推进剂在低幅值长脉冲压力作用下可能发生意外点火,进而发展成燃烧或爆轰导致严重后果。为研究HTPB复合固体推进剂药片在撞击作用下的受力状态及点火机制,建立了卡斯特落锤仪的冲击力测试系统,并获得了落锤撞击作用下推进剂药片特性落高值及其不同高度时药片的落锤冲击力载荷曲线。基于落锤撞击测试装置建模,开展推进剂药片的落锤撞击点火试验数值模拟。研究结果表明,药片在2 kg落锤下的特性落高值H50为29.5 cm,药片表面受到冲击力峰值36.9 kN及作用时间0.40 ms;数值模拟结果显示,药片发生点火的特性落高在28~30 cm之间,与试验结果相吻合;药片受到落锤冲击发生径向变形,且表面局部应力集中,同时HTPB粘结剂发生塑性流动及摩擦,导致药片局部点高温,直至诱发AP颗粒热分解发生点火响应;模拟计算得到了2 kg落锤撞击药片点火的压力峰值470.9 MPa,点火时间约为0.30 ms。

地连墙重锤成槽施工对临近变电站振动影响分析

地下连续墙成槽不可避免的对土层及周边建筑物产生较大影响,尤其需要采用落锤冲击成槽等重型施工工艺时,导致地层及邻近结构产生振动。本文依托于广州地区某紧邻变电站的地连墙成槽工程,利用Midas有限元分析软件,建立落锤冲击成槽的三维实体有限元模型,研究冲击荷载对临近电站桩基质点振动速度的影响,验证桩锤冲击和方锤修壁2种成槽施工方案的可行性。数值结果表明:电站桩基质点振动速度随落锤冲程的增大而增大,且竖向振动速度峰值最大;在一定冲程范围内,2种成槽施工方案均能满足规范要求。研究结果可为现场施工及类似工程提供参考。

应用于低速冲击的新型力学超材料

目的针对低速碰撞场景下的吸能缓冲需求,设计一种具有准零刚度特性的新型力学超材料。方法首先对力学超材料的几何结构进行参数化建模,超材料主要组成包括薄壁结构与格栅结构。薄壁结构为正弦构型的曲梁,格栅结构由圆杆组成,将薄壁曲梁连接成整体。为了缩短不同应用场景下缓冲结构的设计周期,提出了一种结构力学响应的计算方法。首先建立基于欧拉-伯努利梁原理的薄壁结构运动微分方程,随后提出了一种基于四阶龙格库塔法以及打靶法的数值求解方法,最后基于叠加原理,提出了缓冲结构的力学响应预测方法并进行了相应的线性补偿。结果提出的数值算法可以准确地计算大柔度薄壁结构的力学响应,从而减少设计迭代的次数,大幅缩短设计周期。结论准静态试验结果表明,提出的超材料构型具有准零刚度的特点,并且压缩率超过70%。落锤冲击场景下缓冲结构无明显的初始峰值,响应载荷得到抑制。这说明这种超材料在缓冲领域具有很大的应用潜力,尤其适用于体积受限场景下的冲击防护。

落锤撞击试验引起的环境振动研究

对某大学结构试验室落锤撞击试验引起的环境振动问题进行了研究,利用3602T型动态数据采集系统分别测试并记录了不同撞击能量下,试验室不同位置下x、y、z 3个方向的最大振动速度,并采用GB 50040-2020《动力机器基础设计规范》中提到的地面振动衰减计算公式对试验结果进行验证,计算结果与试验结果基本一致。振动测试结果表明:落锤撞击试验引起的环境振动可以通过GB 50040-2020《动力机器基础设计规范》中的地面振动衰减计算公式进行计算分析,且目前落锤试验机提供的最大撞击能量对试验室的主体结构影响较小,可安全使用。

橡胶混凝土复合路面结构对抗冲击性能的影响

不同橡胶混凝土复合路面结构对路面抗冲击性能的影响需深入研究。以橡胶颗粒等体积替代天然砂制备橡胶混凝土,并制备出不同结构的复合路面。基于自由落锤试验,研究了不同结构的复合路面对抗冲击性能的影响。结果表明:抗冲击性能由强到弱依次为上层为橡胶的混凝土复合路面结构,下层为橡胶的混凝土复合路面结构,单层橡胶混凝土路面结构,单层普通混凝土路面结构。可见橡胶混凝土路面结构的抗冲击性能均优于单层普通混凝土路面结构。

落锤冲击加载下炸药基体内不同粒度AP颗粒破碎特征

为研究炸药基体内不同粒度高氯酸铵（AP）颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征,用中粒径为6--8,130,300μm的AP制备了三种AP/HTPB样品,用落锤冲击加载损毁样品。回收冲击试验后样品,用扫描电镜（SEM）研究AP颗粒的破碎特征。分析炸药基体内不同粒度AP颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征。结果表明,冲击加载后,三种样品内的AP颗粒均发生脆性破裂,部分晶体上清晰可见剪切带现象,且粒度越大颗粒破碎越严重。破碎后AP颗粒尺寸均在10--100μm,最小颗粒小于10μm。结合材料剪切理论、AP颗粒破碎特征和破碎尺度,可推断：在落锤冲击下AP颗粒由于样品内部的剪切作用发生脆性断裂,且AP颗粒破碎尺度特征与材料剪切现象中的剪切带尺寸特征相类似。

碳纤维拉索及其锚固系统抗冲击性能试验研究

为研究碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称CFRP)拉索及其锚固系统在冲击荷载作用下的动力性能,采用落锤冲击试验机,对直径9.8mm的表面压纹CFRP筋及粘结式锚具组装件的横向抗冲击性能进行了试验研究。实测了不同冲击能量下锤头冲击力及筋材的索力时程曲线和破坏形态,根据实测结果计算了冲击荷载-位移曲线与试件吸能-位移曲线。结果表明:CFRP拉索锚具组装件的破坏形态包括筋材的滑移、基体的层裂和纤维的剪断,相应的横向抗冲击承载力分别为12.26k N、20.77k N和17.4k N;试件承受多次冲击时,耗能能力逐次降低;CFRP筋与RPC在动力作用下的粘结机理有别于静力作用,值得进一步研究。

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100～101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型(CSCM)对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数(DIF)的变化规律。结果表明:随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。

发射药落锤撞击试验及评价方法研究

提出了一种新的评价高能发射药动态力学强度的方法,即采用落锤撞击发射药粒,用药粒发生临界损伤时的撞击能和极限抗冲应力来表征发射药的动态力学性能。结果表明,该方法能够定量评价发射药的动态力学强度,并得到太根药、硝胺药、硝基胍药等3种发射药的临界撞击能分别为18.8 J/cm2、14.2 J/cm2、3.8 J/cm2,极限抗冲应力分别为247.2 MPa、214.2 MPa、118.5 MPa。