抗飛機撞擊用鋼筋接頭的瞬間加載沖擊試驗加載速度研究

莫鯉木

【摘 要】在2008年之前，相關鋼筋接頭的加載速度以V0=L0的速度進行試驗，后改為V0=L0-LP，目前國內尚無相關標準對加載速度進行規范，一般要求加載速度采用V0=L0。為研究不同的加載速度，其試驗的結果有何不同，文章對適配φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm鋼筋的抗飛機撞擊用鋼筋接頭進行相關的試驗和驗證，經過對抗飛機撞擊用鋼筋接頭試驗數據的研究和整理，對比不同加載速率對結果的影響進行探討，期望對后續研究有所幫助。

【關鍵詞】抗飛機撞擊;瞬間加載沖擊試驗;加載速度;應變速率

【中圖分類號】TU755.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0072-03

0 引言

核電作為重要的清潔能源已在全世界范圍內得到了廣泛應用，由于核電事故的嚴重后果，所以核電廠的安全性顯得尤為重要，自“9·11”事件發生以來，第三代核電技術就要求核電站主要構筑物具備抗商用大飛機撞擊的能力，作為核電站的最后一道防線，保證核電站的安全。這就要求安全殼外殼上所用的鋼筋接頭具有抗瞬間沖擊的性能，并且鋼筋接頭必須能夠在抗瞬間沖擊時不破壞在鋼筋接頭處[1-2]。法國弗拉芒維爾核電站3號機組是世界上較早采用抗飛機撞擊用鋼筋接頭的核電站之一，抗飛機撞擊用鋼筋接頭是建設單位法國電力集團在法國弗拉芒維爾核電站3號機組建設期間提出的概念，該集團對抗飛機撞擊用鋼筋接頭制定了相關的標準和要求。瞬間加載沖擊試驗最開始是由德國核管理局提出構想，并在法國電力集團的見證下在德國BAM試驗室進行試驗，最開始要求試驗室按V0=L0（L0為兩夾具之間的距離，單位為mm）的加載速度進行試驗，但后來法國電力集團發現不同規格的接頭組件均采用V0=L0條件進行試驗時，不同直徑鋼筋的應變速率不一致，主要是由于不同直徑的鋼筋連接試件中鋼筋接頭長度占整個試件的長度不一導致試件中鋼筋段的長度不一致，在試驗過程中它們的應變率相差較大，無法統一判定結果。雖然瞬間加載沖擊試驗中高速度是達到高應變率的必要條件，但是高速度并不是試驗的最終目標，試驗的最終目標是達到指定的應變率，即鋼筋接頭在鋼筋受1 s-1速率變形時的連接能力。所以2009年之后所有的測試條件均改為“V0=L0-LP（Lp為鋼筋接頭的長度，單位為mm）”，即以兩夾具之間的鋼筋自由段總長為加載速度。我國自主三代核電站在引進抗飛機撞擊用鋼筋接頭時，對瞬間加載沖擊試驗的要求是“將標距過的試件放在試驗加載器的夾具之間，控制加載應變率為1 s-1，即加載速率V0=L0（mm/s），L0為夾具之間的長度”。這一要求與后來法國電力集團所提的V0=L0-LP有所出入，所以本研究希望通過對比兩種不同條件下試驗的結果數據進行分析，探討不同加載速度對結果的影響。

1 試驗設備

用于抗飛機撞擊用鋼筋接頭瞬間加載沖擊試驗的設備為1 000 kN液壓伺服沖擊試驗機，該試驗機位于德國柏林的BAM測試中心，是目前全球唯一有資質進行抗飛機撞擊用鋼筋接頭瞬間加載沖擊試驗的試驗室，該沖擊試驗機是BAM測試中心為測試結構在沖擊載荷作用下的受力性能，而研制了伺服液壓1 000 kN沖擊試驗機，該沖擊試驗機最大極限靜力為1 000 kN測試設備，配有超高精度控制閥和強大的伺服閥，傳感器采樣數據頻率為10 000 Hz，同時配備了3 000幀/s的高速攝像機，使試驗過程的可控制性、可視性和可靠性得到保障。

試驗設備在加載應變率為1 s-1時的最大加載力約930 kN，能夠進行最大的鋼筋規格是φ40 mm的HRB500級[3]的鋼筋接頭試驗。該試驗裝置可以根據試件的長度設定加載速率，活塞桿的最大速度分別為4.5 m/s和8.5 m/s。試驗設備可在0.05 s內達到試驗要求的加載速度，達到加載速度之后能夠較平穩地維持在設定目標速度，以便實現試驗所需要的加載速度或者應變率。

2 試驗說明

應變速率1 s-1即要求鋼筋在1 s時間內伸長率從0～100%的長度，即要求加載速度與鋼筋伸長段之比為L/s（單位：mm），因鋼筋的實際最大力延伸率在10%～16%，所以瞬間加載沖擊試驗從開始加載到試驗結束實際只需0.1～0.16 s?？癸w機撞擊用鋼筋接頭試件的瞬間加載沖擊試驗要求鋼筋接頭在拉伸試驗過程中始終保持對鋼筋的握裹，使試件在試驗結果的破壞發生在鋼筋的母材上，最大限度地發揮鋼筋的性能。

BAM測試中心曾提出，鋼筋接頭在瞬間加載沖擊試驗過程中，它的延伸是很小的。應變率是材料相對于時間的應變（變形）的變化，平均應變速率等于△l/t，即△l=△l1+△l2（△l1是表示試驗載荷從0到拉斷時鋼筋接頭的增量，△l2表示試驗載荷從0到拉斷時，非破斷段的增量），即總變形=鋼筋的變形+鋼筋接頭的變形。ε接頭在實測過程中接頭的變形非常小，而試驗的目的是實現鋼筋的塑性變形，因此應變率為1 s-1應該發生在鋼筋，接頭本身應保持完好，沒有任何明顯的塑性變形。因此，進行瞬間加載沖擊試驗時的加載速率應僅計算兩端夾具之間鋼筋自由段的長度。

為了驗證鋼筋接頭在試驗過程中的延伸率，本研究還進行了相關的數據對比，對比12組抗飛機撞擊用鋼筋接頭的鋼筋接頭部分在試驗前后的變形情況，試驗結果發現在鋼筋接頭試驗前和試驗后的長度參數對比延伸率分別為0.016%和0.02%，相對比的鋼筋的延伸率為9%～14%，鋼筋接頭區的延伸變化率只占到整個試驗延伸的2%左右，所以鋼筋接頭區間的延伸率在試驗過程中可以忽略不計。

假設連接件總長Lg=1.25 m，夾具間的距離L0=1.0 m，鋼筋接頭段長度Lp=0.36 m，鋼筋段長度Ir=L0-Lp=0.64 m，即當采用V0=L0時，不考慮鋼筋接頭的變形，其鋼筋的應變速率為V0? /（Ir）=1/0.6=1.56 s-1，其應變速率較1 s-1的應變速率增加了約56%。所以，如果采用V0=L0時，鋼筋的應變速率實際上是比1 s-1要增加的。本研究選取φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm 3種規格HRB500E的帶肋鋼筋[3]的連接組件進行對比（見表1）。從計算結果可以看出，當采取V0=L0時，同樣規格的不同類型的鋼筋接頭其鋼筋的應變率是不一致的，不同的LP長度導致其最終應變速率ε的不同，這導致與相關的標準和測試程序要求1 s-1不同。因此，這種比較非常清楚地說明了加載速度的取值將在很大程度上改變鋼筋的應變率，將鋼筋的長度（Ir）用于試驗速度（v），不同類型的鋼筋接頭可以得到相應的條件和可比較的測試結果。這一定義確保了每一種類型的鋼筋接頭的塑性應變率在1.0 s-1左右的鋼筋符合相關標準和測試程序的要求。

3 試驗設計

為使試驗更貼近工程實際應用，試驗樣品規格分別選取了目前三代核電工程應用最多的φ25 mm、φ32 mm、φ40 mm型的高速拉伸的數據結果進行對比分析，4件母材中2件靜載，2件瞬間沖擊?！癡0=L0”“V0=L0-Lp”條件的瞬間加載沖擊試驗各5件，共14件試件，具體試驗條件見表2。按BAM試驗室要求，母材和連接組件的總長應為（1 250±5）mm，每種規格母材取4根1 250 mm，母材鋼筋上每間隔30 mm做一個標記，將母材鋼筋分成若干個30 mm的原始標距;將母材鋼筋安裝至加載裝置，記錄自由段初始長度L0 （即等于兩夾具間距離）。

第1、2組為靜載拉伸試驗，用于確定試樣母材鋼號及相關參數，加載速率V0=0.25 mm/s，直至鋼筋拉斷。

第3、4組為瞬間加載沖擊試驗，用于確定鋼筋在瞬間加載沖擊下的性能，作為鋼筋接頭組件沖擊試驗的試驗依據，加載速率V0=L0，直至破斷，值得一提的是，鋼筋母材的瞬間加載沖擊試驗時，沒有接頭，故無論采用哪個瞬間加載沖擊試驗的條件均為V0=L0。

第5～9組為“V0=L0-Lp”條件的瞬間加載沖擊試驗;第10～14組為“V0=L0”條件的瞬間加載沖擊試驗（見表2）。

記錄實際抗拉強度和斷后的標距長度;其中，有效測量標距范圍：距離夾持區應不小于20 mm且不小于鋼筋公稱直徑d（取兩者之間的大值）;距離斷裂點應不小于50 mm或不小于2 d（取兩者之間的大值）[4-5]。

啟動頂部夾持裝置，使夾持裝置夾緊連接組件上端，降低液壓缸，直至底部夾持裝置能夾緊連接組件下端;啟動加載置，使連接組件處于拉緊狀態，測量兩夾具之間的尺寸L0、連接頭長度Lp，X1、X2為夾持區域;設置加載速度為加載應變率V0=L0-LP，即V0=（L0-Lp）/1 s、V0=L0/1 s，開始加載直至破壞。用高速攝像機記錄破斷瞬間（如圖2所示）。

4 試驗對比

試驗數據對比見表3、表4、表5。

5 結語

從以上數據對比可以看出，無論是以“V0=L0-LP”還是“V0=L0”為試驗加載速度，其抗拉強度均比靜載拉伸有較大幅度的提高?！癡0=L0-LP”試件的抗拉強度分別比母材抗拉強度提高7.1%、5.7%、6.5%;“V0=L0”試件的抗拉強度分別比母材抗拉強度提高7.2%、6.1%、7.0%。說明鋼筋的抗拉強度受加載速度較大的影響，需要通過瞬間加載沖擊試驗且對鋼筋接頭的要求也相對提高，這也是目前國內通過該試驗的產品不多的原因之一。采取“V0=L0”時，其試件抗拉強度相對“V0=L0-LP”有較小幅度的提升，分別為0.41%、0.56%、0.14%（見表6）。

鋼筋應變速率在相對于1 s-1大幅提升時，其拉伸力學性能并沒有隨著應變速率線性上升，只是相對有微小提升，文中所提及的兩種不同的試驗條件對鋼筋接頭的性能要求影響不大;采用“V0=L0”時，對設備要求更高，需要設備在提供一定拉伸力值的條件下提供更快的加載速度。

安全殼外殼在實際發生撞擊時，不同區域內的鋼筋所受的應變速率并非一致，同一片區域內的不同鋼筋更多以相同速度發生變形。在核電工程實際應用過程中，選用“V0=L0-LP”還是“V0=L0”，取決于設計者對抗飛機撞擊用鋼筋接頭的目標，是指定的速度還是指定的應變速率，這將決定最終試驗時所采用的加載條件。

參 考 文 獻

[1]李軍.我國又一項核電科研項目取得重大突破[J].預應力技術，2015（6）：41.

[2]張紅軍.世界核電技術發展新趨勢探討[J].中國核工業，2016（8）：44-45.

[3]GB 1499.2—2018，鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋[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，金屬材料拉伸試驗[S].