第42卷第2期李为民等·冲击荷载作用下碳纤维混凝土的力学性能

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纤维混凝土的物理、力学性能做了大量的研究工作。然而，目前已有的研究大多基于碳纤维混凝土的准静态力学性能，其高应变率力学性能的研究还很欠缺，从而导致工程应用和相应的计算机数值模拟缺乏理论依据。

因此，本文采用Φ100mm分离式霍普金森压杆（SplitHopkinsonpressurebar,简称SHPB）试验装置，研究了多个纤维掺量的碳纤维混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能，并分析了SHPB试验的有效性。

1

1.1

SHPB试验技术及数据处理

Φ100mmSHPB试验装置及波形整形技术Φ100mmSHPB试验装置，如图1所示，主要

图2入射脉冲整形前后的波形对比

Fig.2Comparisonbetweenoriginalandshaped

incidentpulse

由主体设备、能源系统、测试系统三大部分组成。主体设备包括：发射装置、发射炮管、射弹、吸能装置、杆件及其调整支架、操纵台等；能源系统包括：空气压缩机、高压容器及管道；测试系统包括：弹速测试系统及动态应变测试系统。

图3整形后典型的脉冲波形

Fig.3TypicalwaveformsfrompulseshapedexperimentswithH62brasspulseshapers

(a)主体设备

(b)入射杆-试件-透射杆

图1Φ100mmSHPB试验装置

Fig.1Apparatusof100-mm-diameterSHPB

对于混凝土等准脆性材料的高应变率力学性能测试，试件在破坏前满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，是保证试验有效性及试验结果可靠性的关键。波形整形技术［8,9］可以延长入射脉冲的上升沿，让试件有足够的时间达到应力均匀，除此之外，还可以平滑波形，消除应力波的高频振荡。本文采用H62黄铜波形整形器，厚度为1mm，直径分别为20mm、

图4混凝土材料SHPB试验中的应力波传播

（τs=ls/cs，cs为混凝土试件中的波速）

Fig.4StresswavepropagationinSHPBtestsonconcretespecimen(τs=ls/cs，wherecsrepresentswave

velocityinspecimen)

22mm、25mm、27mm、30mm。结果表明，其对

入射波形有明显的改善效果，可将入射脉冲上升沿的升时延长1~1.6倍，且波形呈半正弦状，如图2所示。图3给出了典型的应力脉冲波形。

本文采用三波法，由弹性杆中的应变波形，可计

觶s及应变εs，即算出试件的应力σs、应变率ε

乙

乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙

1.2数据处理

SHPB试验的基本原理（图4）是细长杆中弹性

应力波传播理论，采用两个基本假设：①平面假设，即应力波在细长杆中传播过程中，弹性杆中的每个横截面始终保持平面状态；②应力均匀假设，即应力波在试件中传播两个来回，试件中的应力处处相等［10］。

σs（t）=E［ε（t）＋ε（t＋τ）+ε（t＋τ）］A

s

觶s（t）=［ε（t）-ε（t＋τ）-ε（t＋τ）］cε

sεs（t）=

（1）

乙ε觶（τ）dτ

s

t

式中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；A、As分别为杆、试件的横截面积；ls为试件的初始厚度；εi、

εr、εt分别为杆中的入射、反射、透射应变；τ1、τ2