混凝土动力试验设备的发展现状与展望

!""7年第l期

水科学与工程技术

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水工材料

l#郑州大学

摘要!随着计算技术的发展及结构安全要求的提高,混凝土材料动态性能的研究有蓬勃发展的趋势O混凝土动态性能试验系统也

取得了不少成果O综述了混凝土材料动态性能试验设备的研究现状,对现在所出现的动态设备进行了分类说明与评述,并指出了可能的发展方向O

关键词!混凝土"动力"试验设备"综述中图分类号!TU502文献标识码!A

Currentstudyanddevelopmentofconcretedynamictesteguipment

YANDong-ming1,LINGao2

1.SchoolofEnuironmentandWaterConseruancy,ZhengzhouUniuersity,Zhengzhou450002,ChinaZ

2.SchoolofCiuilandHydraulicEngineering,DalianUniuerisityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China

Abstract:Withthedeveiopmentofcomputationtechnoiogyandtheincreasingreguirementforstructuresafety,thestudyofdynamicpropertiesofconcretehasbeenpaidmoreattentioninrecentyears.Thedynamictestsystemforconcreteavaiiabieareoverviewed,ciassfiedandremarkedandtheprospectofthedynamictestmachine$sdeveiopmentisdisscussed.

Keywords:concrete;dynamic;testmachine;overview

!"

1

在文献中一般称为动态特性O关于混凝土动态特性的研究最早可上溯至1917年Abrams的工作O但是,直到20世纪

60%70年代,由于经济建设和军事方面的需要,混凝土的动态特性才受到更多研究者的重视,并得到较大的发展,相应地也促进了试验技术与分析方法的进步O

西部大开发和H西电东送"的战略任务促进了我国水电能源开发和水利工程建设的空前发展O小湾\溪洛渡\向家坝\构皮滩\锦屏一级\白鹤滩\虎跳峡\大岗山等一批高坝枢纽将在近期进行建设O这些拱坝大多建于高裂度地震区,坝址地质条件复杂,设计地震加速度高,例如小湾拱坝设计地震加速度为0.308g,溪洛渡0.321g,锦屏一级为0.197gO目前正在规划开发的一些坝址,地震加速度还远远超过这些数值O例如,大岗山拱坝的设计地震加速度达到0.5575gO在如此高烈度地震区进行高坝和超高大坝的建设,大坝的抗震安全成为设计中需要解决的关键技术问题之一,受到普遍关注O虽然近年来国内外关于大坝的抗震研究已经取得了比较大的进展,但是当前的大坝抗震技术还难以可靠地估计大坝在强震时的特性及其震害O混凝土作为大坝的重要组成材料,其动态性能的研究成为当前一个重要的任务O根据试验的应变速率范围不同,对试验机的要求也有很大差别O笔者根据多年来对试验工作的体会,对各种类型混凝土动态试验

"收稿日期#2006 11 16

"基金项目$国家自然科学基金资助项目 重点项目50139010

!!!!!"

引言

混凝土动力试验设备的发展现状与展望

闫东明l!林

皋2

土木水利学院,辽宁大连1l6024D

环境与水利学院,郑州450002Z2#大连理工大学

文章编号!l672-9900(2007)01-0001-04

机的现状及发展,谈一点看法O

混凝土是应变速率敏感性材料,混凝土的速率敏感性2混凝土材料动力试验系统的现状

混凝土的动力试验设备按照驱动力的类型主要分为

以下几类1!液压试验系统Z"落锤试验系统Z#SHPB压杆试验系统Z$射弹试验系统Z%其他试验系统O

几种试验系统各有所长,可以提供多种应变速率,在当前的混凝土动态试验研究中得到广泛的应用O其中,以液压试验系统和SHPB试验系统为最多O下面分别加以介绍O

2.1液压试验系统

液压试验系统是以液体作为内在驱动力传递媒介的

试验系统的统称O这一类试验系统通常用来进行静态荷载下的试验,应变速率量级为10-6%10-2s-1O在辅助以反应快速的油泵和阀后,可以完成动态试验O在压缩情况下,该类试验系统的加载速率可以达到10-1s-1,在拉伸条件下,可以接近1s-1O这一类设备的优点是1如果刚度足够,通过增加电液伺服阀及合适的电子装置,可以实现比较恒定的应变速率或加载速率O在快速加载条件下,由于试验所用的时间很短,通过直接反馈控制得到恒定应变速率的方法实施起来难度更大,应变速率很大程度上依赖于试验机的刚度及试件刚度O

由于这些特点,不少研究者采用液压的设备进行了动态的压/拉试验OSparks和Menzies[1]采用此类设备对圆柱

%作者简介$闫东明 1978- ,男 汉族 ,河南南阳人,博士,讲师,主要从事混凝土动态特性方面的研究工作, Tei 13663826401O

~~2

闫东明!林皋"混凝土动力试验设备的发展现状与展望水科学与工程技术

!""7年第1期

体试件

进行动载试验,应变速率范围为5#10-8

$10-3S-1

;

BieStei和Beiteio 2 试验得到的应变速率范围为10-5$10-1S-1O肖诗云等人 3$4 采用MTS液压伺服疲劳试验机对立方体试件进行动态压缩和拉伸试验,拉伸试验得到的应变速率范围为10-5$10-2S-1,压缩试验得到的应变速率范围为

10-5$10-1S-1O

董毓利等人 5 采用美国MTS公司815.02型电液伺服试验系统,对圆柱体试件进行动态压缩试验,其应变速率范围实现了10-5$102S-1O

为了实现更高的应变速率,一些研究者将油缸通过气缸进行加压0气~液联动系统0,可以进行应变速率为1S-1的动态压缩试验O

KatSuta等人 6 采用这种改进的液压设备对圆柱体试件进行动载试验,得到的应变速率范围为10-6$10-1S-1OEvanS 7 采用这种设备对立方体试件进行动载试验,得到的应变速率范围为10-7$1S-1O

液压设备在静态试验中已经得到广泛应用,积累了丰富的经验,在提高试验机刚度~量测试件变形等方面形成了比较成熟的技术O在电液伺服条件下,应变速率或加载速率的控制精度较高O随着伺服阀~油泵等关键部件性能的提高,液压动力设备易于向混凝土多轴动态设备过渡,从而完成在动态荷载下的双轴和三轴试验O

日本的Fujikake等人 8 采用液压设备,通过液压作为侧向的恒定压力,在竖向施加动态荷载,从而实现三向应力状态下的动态试验O由于油泵性能有限,侧向压力不能完全维持恒定,在试验过程中,尤其是在较高的应变速率下,侧向压力有降低的趋势O

大连理工大学李木国等人 9 在21世纪初期自行研制了大型动态液压伺服试验系统,见图1O其作动器~液压源~数字控制~模拟控制~应用软件等各方面都采用了新的技术,以计

算机为核心的电液伺服自动化控制方式,可以实现混凝土的动态单轴~双轴和三轴压缩试验,可以进行各种拉压~静动态等任意组合试验,作动器响应频率可以达到10HzO测试结果表明,此试验系统性能稳定O

大连理工大学宋玉普等人 10$12 利用该设备对混凝土进行动态的单轴和双轴动态压缩试验,实现的加载速率范围为

2$2000Mpa/S,其相应的应变速率范围达到10-6$10-3S-1O

总的看来,液压试验系统具有很多优点,如试验技术相对成熟,应变速率或者荷载速率控制精度高,易于向三轴动态设备扩展等O荷载值和变形值能够方便~准确地测

量O但是液压动态设备对伺服阀~油泵等关键部件性能要

求很高,导致研制成本相对较高O该类设备可以实现的应变速率范围通常在10-6$100S-1,对于研究地震荷载~风荷载等中低应变速率的情况比较适用O

随着设备制造水平的提高,设备控制系统将会越来越智能化,试验机的整体刚度会得到增强,加载速度和反馈速度也会大幅度地提高,设备整体性能设计更为合理,这将掀起一个混凝土多轴动态性能的研究高潮O目前大连理工大学正着手研制更完善的多轴液压动力试验系统O

!"!落锤动力试验系统

为了得到较高的应变速率,一些研究者采用落锤的方

法进行动载试验O通过设置重物的重量~下落高度~落地碰撞垫层厚度等来改变实际作用到试件上的应变速率大小O

落锤试验系统可以将82kg或578kg的重物从高达

2500mm的高空落下,砸向目标混凝土试件O文献 13 采用此系统进行试验,重物采用578kg,试件形式为直径100mm~高200mm的圆柱体,设置落锤从250mm和500mm高处落下,得到的冲击速率分别为2.21m/S和3.13m/S,冲击能量分别为1417]和2835]O其应变速率量级约为1$10S-1O

美国也研制了落锤试验系统OElfaial等人采用此系统对尺寸为75mm#150mm$600mm#1200mm不等的圆柱体混凝土试件进行动力试验,得到冲击速度为5m/S和7m/SO其相应的试件应变速率范围为1$10S-1O

日本的落锤试验设备的落锤高度可以达到28mOElfa%ial等人还利用此试验设备对300mm#600mm和600mm#1200mm的圆柱体试件进行了试验,采用的冲击速度达到5m/S和7m/SO

这一类设备的优点是试验系统构造比较简单,对设备制造所要求技术难度不大,成本相对较低;通过调整落锤的重量,设备可以实现很大的冲击力O缺点是在试验过程中真正施加在试件上的荷载值难以精确地量测,加载速率难以精确控制O对于研究材料的多轴动态试验显得粗糙O

!"#HopkinSon压杆动力试验系统

目前分离式的HopkinSon压杆0SHpB0技术被认为是测量固体材料在10$103S-1高应变速率下动态特性的最有效的方法O早在1914年,HopkinSon就提出了测试瞬态脉冲应力的压杆技术,1949年KolSky对它进行改进,其基本组成被沿用至今O经过多年的发展,这一类设备已经被应用到动态拉伸 15 和扭转 16 试验中O

试验装置的撞击杆撞击入射杆,在入射杆中产生的一维平面波到达试件后产生反射和投射O假设试件在撞击过

程中保持一维平面应力状态,通过应变片等量测设备可以记录入射杆~透射杆中应变随时间变化的曲线,也就得到了试件两端的应力~应变随时间的变化过程O通过简单的计算,可以反算出试件材料的应力应变关系曲线O

GioteS等人 17 利用动态压缩试验装置,用气枪作为动力源,对直径为19.05mm和12.70mm的圆柱体砂浆试件进行动态压缩试验,得到的应变速率范围为250$1700S-1O

Lamebeit等人 18 采用动态劈拉试验装置设备,与巴西0Biizilian0试验的方法相结合,对直径76mm~高38mm的混凝土圆柱体试件进行动态劈裂试验,得到的应变速率范

闫东明!林皋"混凝土动力试验设备的发展现状与展望水科学与工程技术 3!""7年第1期

围为1#8s-1

Gomez等人 19 采用类似的试验装置进行动载试验 采用的试件为直径25.4mm 厚6.4mm的圆盘 得到的应变速率达到200s-1

Ross等人 20 利用此类设备 用气枪作为动力源 采用直径51mm 高51mm的圆柱体试件进行压缩和劈拉的动态试验 得到应变速率范围为1#10s-1

Malvern等人 21 采用SHPB试验装置对直径76mm 高76mm的圆柱体试件进行动态试验 得到的应变速率范围为10-3#102s-1

Rossi等人 22 利用落锤作为动力 借用Hopkinson杆进行动力试验 通过调整落锤与杆底部垫层的厚度来调整作用在试件上的应变速率 得到了加载速率范围为1#

80GPa/s 其相应的应变速率范围为0.01#1s-1

利用SHPB试验装置可以方便地记录加载脉冲的应力 应变 应力 时间 应变率 试件的动态曲线 研究应变率敏感材料的动态特性和应变率历史等 SHPB技术在材料的动力特性测试方面取得了广泛并成功的应用 与金属相比 混凝土材料的SHPB试验有一定难度 !混凝土材料组分的均匀性较差 "混凝土材料弹性变形较小 #混凝土材料离散性大 SHPB试验中假设试件内部应力处处相等 要求试件尽可能小一些 而试件均匀性要求混凝土试件尺寸不能太小 早先Hopkinson压杆的直径通常为25mm 37mm等 在20世纪90年代逐渐研制出了较大直径 如51mm和

76mm 的SHPB试验系统 我国的研究者也做了这方面的工作 中国科学院力学研究所研制的SHPB装置 压杆的直径为30mm 拉杆的直径为20mm 可以实现的应变速率范围为102#104s-1 中国科学技术大学研制出直锥变截面式SHPB试验装置 压头直径可达574mm 王道荣等人利用此设备进行动态压缩试验 应变速率分别为23 35 46和60s-1

一些研究者在Hopkinson压杆试验装置的基础上 通过附加侧向的压力 来完成动态的三轴试验

Martin 23 在Hopkinson冲击杆装置的基础上 在试件周围施加液体压力 从而进行动态的三轴试验 实现的围压从1.72#6.89MPa不等 实现的应变速率达到102s-1

!"#射弹试验装置

为了获得较高的加载速率 一些研究者借用其他的

试验装置对材料进行动载试验 射弹试验装置利用分子量级的气体 例如氢气 氮气等 驱动 进行高速 几百至几千m/s范围内 碰撞试验的专用设备 试验时将飞片粘贴于弹丸上 高压气体的突然释放推动弹丸沿抽成真空的炮管运动 当高速的弹丸碰撞到靶板时 产生一个较高的压力脉冲 由应力量计记录一组压力信号 不同的撞击速度产生不同的压力峰值 根据这一系列压力信号 进行材料的动态特性分析

北京理工大学宁建国等人 24 选用一级轻气炮试验装置 炮口口径为101mm 弹速误差为<5$ 炮管长度为17m 弹速为20%1400m/s 对直径70mm 厚5mm的圆板形混凝土试件进行动态试验 得到混凝土材料的应变率响应范围为

104#105s-1

以色列的Dancygier等人

25

采用此类装置对高强混凝

土进行动态冲击试验 通过气枪对弹头进行加速 射向设

置在一定距离的混凝土板从而进行冲击破坏 试件采用

宽400mm 厚分别为40mm和60mm的正方形混凝土板 弹头的速度达到85m/s和230m/s 得到的应变速率为

103#104s-1

美国的Grotes等人 17 采用类似的试验装置将直径

76.2mm 厚10mm的圆盘置于射弹的前部 进行冲击试验 用氦气对弹头进行加速 研究的应变速率量级为104s-1

这一类设备原理简单 易于改造 适用的应变速率范围较大 适应能力强 有着良好的发展前景

!"$其他动力试验设备

Gran等人 26 在1988年利用爆炸气体做动力分别施加在轴向和径向 对直径149.2mm 高301.6mm的圆柱体进行动载试验 得到的应变速率范围为0.02#20s-1 %

结论及展望

混凝土材料的动态性能研究到目前为止已经取得了重大的研究成果 多种动力试验设备的应用已经取得了丰富的经验 从混凝土材料实际应用来看 在不同的荷载情况下 混凝土材料的响应应变速率有很大的差距 在蠕变条件下混凝土的应变率在10-9#10-6s-1之间 拟静态加载速率在

10-5#10-4s-1之间 地震荷载在10-3#10-2s-1之间 冲击荷载在1#102s-1之间 爆炸荷载下的应变速率在102#103s-1之间 针对所研究问题的不同 选用相应的动力试验设备

随着机械制造水平 电子控制水平等相关学科的发展 动力设备的性能也会得到大的提高 随着研究的深入 混凝土材料动态性能的研究将会逐渐从单轴应力状态向多轴应力状态发展 这将会进一步推动混凝土动力试验设备的进步

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10 吕培印,宋玉普,候景鹏.一向侧压混凝土在不同加载速率下的

4

水科学与工程技术

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"#

"""""#

南水北调

1.华北水利水电学院 郑州450011 2.河北工程大学 河北邯郸056038 3.中国水利水电科学研究院 北京100044

摘要:根据南水北调中线工程河北省受水区水资源的特点 通过对水资源优化配置研究 以重点解决充分利用外调水 提高重点

供水目标保证率 促进区域水资源供需状况相对平衡为目标 建立该区域的水资源优化配置模型 对模型的目标函数 约束条件和参数确定进行了初步探讨 并对模型的计算结果进行了分析 关键词:河北省"南水北调"水资源"多目标规划"优化配置中图分类号:TV68:TV213.5文献标识码:A文章编号:1672-9900(2007)01-0004-04

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!

家庄 保定 衡水 沧州 廊坊7个设区市 I5个重点工业区 I8个县级市和70个县城 控制范围土地总面积达

6.21万km2 受水区范围内2001年城市总人口1058万人 国内生产总值1680亿元 工业总产值1900亿元 受水区内2001年总供水量 含农业及农村生活 139.90亿m 其中地表水供水量12.30亿m3 占总供水量的8.8# 地下水供水量126.40亿m3 占总供水量的90.4% 引黄及其他水量1.20亿m3 占0.8# 造成水资源供需紧张的原因主要是由于随着国民经济迅速发展需水量大幅增加 加之河北省

收稿日期]2006 11 24

3

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11 吕培印,宋玉普,吴智敏.变速率加载下有侧压混凝土强度和变

形特性 J .大连理工大学学报,2001,41 6 :716$720. 12 宋玉普,吕培印,候景鹏.有侧压混凝土的变速率劈拉强度试验

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19 GomezJT,ShukIaA,SharmaA.Staticanddynamicbehaviorof

"""""#

461$481.869$886.

南水北调中线工程

河北受水区水资源优化配置研究

徐建新1!唐

斌1!李

飞2!尚静石3

河北省受水区概况

南水北调中线工程河北省受水区包括邯郸 邢台 石

水资源占有水平很低 必然形成水资源供不应求的局面 此外 山区人类活动的影响使得产汇流条件不断恶化 在降水量相同的情况下地表径流量不断减少 地下水位不断下降 水环境急剧恶化 加大了供需缺口 河北省南水北调受水区现状人均水资源量仅144m3 相当于全国人均水资源量的1/16 1 现状供水只有依靠大量超采地下水进行维持 水资源严重不足又加剧了水环境恶化进程 现状各河系平均河干天数达335d以上 平原洼淀面积大幅减少 由

20世纪50$60年代的133.3万hm2左右降至6.67万hm2,水面覆盖率仅0.35% 水资源量的减少还降低了水体纳污自净能力 污染不断加剧 丰水期污染及严重污染河段比例为70#左右 枯水期达80#以上

作者简介]徐建新 1954- 男 汉族 辽宁人 教授 博士生 主要从事区域水资源高效利用理论与技术研究 TeI 13783685270 受压试验及其破坏准则 J .工程力学,2002,19 5 :67$71.

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混凝土动力试验设备的发展现状与展望

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

闫东明， 林皋， YAN Dong-ming， LIN Gao

闫东明,YAN Dong-ming(郑州大学,环境与水利学院,郑州,450002)， 林皋,LIN Gao(大连理工大学,土木水利学院,辽宁大连,116024)水科学与工程技术

WATER SCIENCES AND ENGINEERING TECHNOLOGY2007(1)1次

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