文/曹君辉 邵旭东

复核/黄政宇

导读：上一期与大家分享了UHPC在轴压、轴拉、弯拉荷载下的抗冲击性能。本期将与大家分享UHPC抗冲击性能的下篇，主要归纳UHPC的抗冲击试验系统，并探讨UHPC的抗冲击设计方法。

一、UHPC的抗冲击试验系统

国际上对混凝土的动力性能进行系统研究还是近二十来年的事。经过研究与积累，目前对混凝土材料或结构所进行的动力试验主要基于以下四种装置类型（图1）：

1）势能型（Charpy摆锤试验、Izod试验和落锤试验等）。这些方法将自由下落或下摆的重物撞击试件，由此产生冲击荷载。试验中可通过调整重物的重量和高度获得不同的应变率。但是Charpy装置和Izod装置均难以测量位移，因此难以获得试件的应力-应变曲线，而落锤装置所形成的应变率较低（一般不超过1-5/s），难以实现高应变率加载。

2）动能型（分离式霍普金森压杆试验、气炮冲击试验等）。这些方法能够产生100-1000/s的应变率，可实现高应变率加载。但是这些装置往往体积较大，构造复杂，且操作时存在一定的危险性，同时设备的购置费用一般较高。

3）液压型（如液压试验机等）。这一方法能够准确测量材料在给定应变率下的动力性能，如控制为地震荷载（0.1/s）。但受限于设备的加载能力，该方法难以产生更高的应变率，且这类设备的价格同样昂贵。

4）弹性应变能型。这是一种新型的动力试验装置，该方法将设备中储备的弹性应变能突然释放而获得冲击荷载，其主要优点是：装置尺寸小，构造简洁，且试验设备的安装成本并不高。

（a）势能型                          （b）动能型

（c）液压型                         （d）弹性应变能型

图1. 几种常用的混凝土动力试验装置

文献调研发现，上述几种动力试验装置在UHPC材料冲击试验中均有采用，其中应用较多的为分离式霍普金森压杆系统、弹性应变能测试系统、落锤系统等。分离式霍普金森压杆主要用于测试UHPC的轴压、轴拉、劈拉等冲击强度荷载，应变率往往较高，并能获得完整的应力-应变曲线；弹性应变能系统一般用于UHPC轴拉冲击试验，加载应变率同样较高；而落锤法主要用于UHPC梁或板试件的抗弯拉冲击试验。下面分享这三种动力试验装置的构造特点。

分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）系统

1914年，Hopkinson B.提出以一种压杆装置测试金属材料的冲击性能，成为霍普金森杆的雏形；1949年，Kolsky H.对这一装置进行优化，通过两个分离式压杆测试试件的动态应力和应变，形成了分离式霍普金森压杆，因而SHPB也称为Kolsky杆。SHPB的构造如图2所示，主要由撞击杆、入射杆、透射杆以及杆体应变测量系统等组成。

（a）构造示意图

（b）实物照片

图2. SHPB结构示意及照片

SHPB的基本原理是，撞击杆经由发射系统以一定速度沿轴向撞击入射杆，在入射杆中产生一个压缩脉冲，假定入射杆和透射杆只发生弹性变形，则杆中应力波为一维波，当应力波达到试件后在入射杆中产生反射波，并在透射杆中产生透射波。通过粘贴在入射杆和透射杆上的动态应变计记录对应的入射、反射及透射应变信号，经过数据处理，可以得到试件在高应变率下的应力-应变曲线。

早期的SHPB只能用来进行抗压冲击试验，随后经过多位学者的改进，目前SHPB可用以实现抗拉、抗拉、抗扭等多种受力模式下的冲击试验，在结构动力试验中应用广泛。

弹性应变能试验系统

为了降低动力测试系统对试验空间的需求，Kim D.J.等在2011年提出了弹性应变能冲击试验系统（Strain Energy Impact Test System，SEITS），并申请了相关专利。与常规高应变率冲击测试系统不同，SEITS通过连接器和能量杆储存弹性应变能（图3）。具体工作原理如下：首先对拉杆施加荷载，通过连接器将荷载传递至能量杆，从而储存弹性应变能；试验中连接器突然失效，所存储的能量传递至两个混凝土试件中，并最终传播至发射杆中。混凝土试件中的应力通过读取发射应力波获取，这一点与SHPB的基本原理相似。

图3. SEITS构造照片

但SEITS有一个明显的缺点：由于两个混凝土试件同时加载，一方面，增加了试件的制作与准备成本，另一方面，由于两个试件难以完全相同，加载时不对称现象时有发生。为克服上述缺点，Tran和Kim对SEITS进行改进，提出了应变能框架冲击试验机（Strain Energy Frame Impact Machine, SEFIM）。通过设置加载框架，可实现单个试件的加载。SEFIM（图4）与SEITS的工作原理相似，即首先对拉伸杆施加位移，在加载框架中存储应变能，然后连接器突然失效，以冲击荷载的形式将应变能传递至试件。试验中通过附着在发射杆上的应变计测量试件的应力，并通过高速摄像头分析其应变，由此建立应力-应变曲线。目前国外学者已借助这一装置开展了UHPC的轴拉冲击试验，试验效果良好。

图4. SEFIM构造示意图

落锤系统

落锤系统是一种依靠势能原理加载的动力试验装置。通过让重锤自由下落，撞击位于装置底部的试件，形成冲击荷载（图5）。当下落高度较大时，装置中一般配有导杆，以确保重锤竖直下落。试验中可根据需求调节落锤的重量和高度，以调节所输入的冲击能量。这种试验系统成本相对较低，操作简便，因而常用来进行混凝土梁或板试件的冲击试验。但这种装置所获得的应变率不高，且试验中一般难以获得试件的应力-应变响应。

图5. 落锤试验装置示意图及照片

UHPC冲击试验方法文献归纳

虽然目前一些文献已报道了UHPC材料的冲击试验结果，但所采用的试验装置和加载方法差异较大，尚未形成共识度较高的试验方法。因此，为便于参考，这里归纳了国内外学者对UHPC在轴压、轴拉、劈拉、弯拉荷载下所开展的典型冲击试验，涵盖了试件构造、加载装置、荷载速率等方面的信息（表1）。

二、UHPC的抗冲击设计方法

目前虽然已围绕UHPC的抗冲击性能开展了一些研究，但相关研究不够系统化，使得试验数据样本较少，还不能建立统一的设计计算公式和方法。相比之下，目前对普通混凝土已进行了大量试验，建立了完善的抗冲击设计方法，其中以欧洲混凝土规范（CEB-FIP）中的计算公式最为经典，应用较为广泛。因此，这里主要分享CEB-FIP中混凝土的抗冲击设计方法，并对UHPC的计算公式进行简要归纳。

抗压冲击设计

CEB-FIP规范对混凝土进行抗冲击设计的核心思路是，基于强度提高系数DIF计算混凝土在高应变率下的强度值，其中DIF计算如式（1）所示。

式中，为混凝土的动力应变率； 为混凝土的静力应变率，；，f’c 为混凝土的抗压强度，f’c0 =10MPa；γ为计算系数，

。

Guo Y.B.等研究了不同高强混凝土的抗压动力性能，包括C60、C80、C110等三种类型，并将试验结果和基于公式（1）的计算结果进行对比（图6）。结果表明，基于CEB-FIP公式计算的DIF值与实测结果吻合度并不好，尤其是对于超高强混凝土C110。

图6. 高强混凝土DIF实测值与计算值对比

通过对试验数据的线性拟合发现，拟合曲线与CEB-FIP公式曲线的交点应变率为7-15/s，低于该规范定义的临界应变（30/s）。此外，当应变率超过临界应变时，实测DIF随应变率的增幅明显小于规范计算公式的斜率（1/3）。基于此，作者根据试验数据拟合出了新的计算公式，如式（2）所示。

式中，εcr为高强混凝土的临界应变率；A、B分别为拟合系数；其他符号含义同前。

事实上，已有大量研究表明，高强混凝土的抗压强度DIF值普遍要比常规混凝土低，且对应变率的敏感度要小。因此，对于具有超高强度的UHPC，不能照搬上述公式，而需要根据试验结果数进行数理统计分析，建立适用的计算公式。但目前尚未建立完善的计算公式。

抗拉冲击设计

CEB-FIIP规范同时规定了普通混凝土材料的轴拉DIF计算公式，如式（3）所示：

式中，为混凝土轴拉动力应变率；为混凝土轴拉静力应变率，取为3×10-6 /s；，f’c 为混凝土的抗压强度，f’c0 =10MPa；β为计算系数，。

Sukhoon P.等根据UHPC轴拉动力试验结果，拟合出了轴拉力学参数的DIF计算公式，如图7所示。但是应该认识到，相较于抗压性能，UHPC的轴拉性能对纤维的敏感性更强。而UHPC中纤维情况复杂，涉及到纤维种类（钢纤维或合成纤维）、纤维形状（平直、扭曲、端钩）、纤维掺入形式（单掺、混掺）、纤维含量等多个方面。因此，在高应变率下，UHPC在轴拉荷载下各项力学指标DIF的计算需要考虑的因素更多，有待今后进行深入研究，建立相关计算公式。

图7. UHPC轴拉动力力学参数DIF拟合公式

UHPC规范的相关规定

目前已有法国、澳大利亚、日本、瑞士、美国、中国等国家颁布了UHPC规范或指南，但这些规范对UHPC冲击性能和设计方法的描述甚少。目前仅有法国UHPC规范（AFNOR. National addition to Eurocode 2 — Design of concrete structures: specific rules for Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete [NF P 18-710], 2016）对UHPC的抗冲击设计作出了简要规定。

根据法国UHPC规范，当UHPC结构设计中需要考虑震动、冲击或爆炸等动力荷载时，应考虑UHPC抗压和抗拉强度的增加，包括裂后阶段。设计中既可采用基于结构动力非线性的计算方法，也可采用简化方法（如将结构视为简单的动力模型）。

在初步设计阶段，可以粗略地按+1 MPa/u.log10()来计入应变率对UHPC强度的提高效应。而在细化设计阶段，建议根据材料供应商提供的信息来考虑高应变率下UHPC的抗压和抗拉行为，当信息不明确时，需要开展UHPC的轴压、轴拉或弯拉冲击试验，规范（AFNOR. Concrete — Ultra-high performance fibre-reinforced concrete — Specifications, performance, production and conformity [NF P 18-470], 2016）中提供了一些试验说明，可供参考。根据试验结果，可以确定UHPC的强度随应变率增加幅度，或者确定UHPC的冲击破坏准则。

结语

UHPC材料内部致密，且掺入了大量纤维，使其抗冲击性能明显优于常规混凝土材料。在材料层面上，目前国内外学者已对UHPC在轴压、轴拉、弯拉等基本荷载下的冲击性能进行了探索。研究发现，在高应变率下，UHPC的强度提高，轴拉应变硬化特性能够保持，并伴随着多缝开裂现象。因此，UHPC具有突出的抗冲击性能，当应用于承受强动力荷载的结构和构件时具有显著优势。

同时，应该认识到UHPC中的纤维对其冲击性能（尤其是轴拉）影响显著。目前的研究尚未系统化，还不能深入揭示纤维特性及纤维-UHPC界面特性对UHPC抗冲击性能的影响机理。因此，目前尚未对UHPC建立体系化的抗冲击设计理论和方法，今后有待完善。