爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验装置及方法

1.本发明涉及界面性能测量装置技术领域，特别是涉及一种爆炸荷载作用下 测量片材与基体界面性能的试验装置及方法。


背景技术：

2.混凝土结构随着使用时间的增加，不可避免的发生老化或者结构损伤，容 易出现裂缝。frp因其具备耐腐蚀性以及轻质等优点，被广泛用于混凝土及其 他结构的加固。其中，外贴frp片材的加固方法，施工便捷，加固效果明显， 被广泛应用。大量试验证明，frp和混凝土结构共同受力的过程中，往往不是 frp材料被拉断破坏，而是由于frp-混凝土界面强度不足导致的剥离破坏。 加固后的结构，仍然可能承受多种形式的动荷载作用，如地震、爆炸、冲击等。 由于frp和混凝土都是应变率敏感性材料，在动荷载作用下，材料和结构将 表现出与静态不同的力学行为。因此，frp和混凝土界面的粘结性能在动荷载 作用下将和静荷载作用下有所区别。
3.目前，动荷载作用下的frp-混凝土粘结性能的试验研究还比较少，主要的 传统试验装置(剪切及梁式弯曲试验装置，见图1～3)因试验可重复性不高， 达不到较高的应变率、荷载施加困难以及破坏模态不可控等问题而不能用于爆 炸荷载下frp-混凝土界面处粘结滑移行为的研究。另外，目前缺少合理的爆 炸荷载控制及施加方法使得frp-混凝土界面发生单一的破坏模态(icdebonding)来用于研究爆炸荷载下frp-混凝土界面处粘结滑移行为。
4.因此，需要一种测量高性能片材与水泥基材料界面性能的试验装置及试验 方法来保证在合理且可控的破坏模态下研究爆炸荷载作用下frp-混凝土界面 处粘结滑移行为。
5.术语解释：
6.frp：纤维复合材料(fiber reinforced polymer)，简称frp。
7.frp-混凝土界面：是指frp与混凝土粘结处的界面部分，包括粘结剂和相 邻的混凝土，负责frp板和混凝土棱柱之间的相对滑移。
8.ic debonding：中部弯曲裂缝(intermediate crack-induced debonding，icdebonding)，具体为frp受弯加固钢筋混凝土梁中出现的一种破坏模态，由 于该破坏模态与剪切试验中的脱粘破坏相近，可以用于研究frp-混凝土界面 行为，因此在本发明中所有内容都为实现这一破坏模态。
9.p-i曲线：p即压力(pressure)，i即冲量(impulse)；p-i曲线是爆炸荷 载作用下某一特定构件的等损伤线，每一条p-i曲线对应此构件某一特定程度 的损伤，常被用于对爆炸冲击荷载下结构的损伤评价。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试 验装置
及方法，以解决上述现有技术存在的问题，保证在合理且可控的破坏模 态下研究爆炸荷载作用下frp-混凝土界面处粘结滑移行为。
11.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
12.本发明提供一种爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验装置，包 括：片材板和两个基体，两个所述基体之间具备间隙，两个所述基体的顶面位 于同一平面且均为迎爆面，一个所述基体的顶面为测试区，另一个为非测试区， 所述片材板粘接于两个所述基体的顶面且跨过两个所述基体之间的间隙，位于 所述非测试区的所述片材板的宽度为位于所述测试区的所述片材板的宽度的 2～6倍，两个所述基体相靠近的一端铰接连接，两个所述基体相靠近的一端的 底面上设置有用于支撑所述基体的两个支座，所述支座与所述基体铰接。
13.优选的，两个所述基体相靠近的一端相铰接的铰接点靠近所述底面设置。
14.优选的，所述间隙的正上方用于设置爆点。
15.优选的，所述基体为长方体或立方体型混凝土构件，所述片材板为frp 板。
16.优选的，所述基体长500mm、宽100mm、高150mm，位于所述非测试区的 所述片材板的宽度与所述基体等宽，为100mm，位于所述测试区的所述片材板 的宽度为15mm。
17.优选的，所述基体的高度不小于108mm。
18.本发明还提供了一种基于如上所述的爆炸荷载作用下测量片材与基体界 面性能的试验装置的试验方法，包括：
19.步骤一：确定应力界限，即确定测试区的片材板从基体顶面脱粘的破坏应 力σ
p
，片材板拉断的极限抗拉应力σb；
20.步骤二：确定荷载界限，通过受力分析分别求得能够达到σ
p
和σb所需的 爆炸压力p1和p2；
21.步骤三：确定爆炸比例距离z，结合asce规定的远场爆炸条件z＞ 1.2m/kg
1/3
和ufc规范经过多次试验得到的p-z的数值关系，得到爆炸荷载下 片材板和基体之间发生ic debonding破坏模态时的爆炸比例距离z；
22.步骤四：基于爆炸比例距离z、爆炸压力p和片材板应力σ对片材板-基 体搭接接头进行等损伤数值模拟分析绘制并得到爆炸荷载下片材板-基体界面 处分别发生ic debonding破坏和片材板断裂时的p-i曲线，这两条曲线将p-i 图分为了三个区域，三个区域分别表示在该荷载工况下片材板-基体界面处无 损伤、发生ic debonding、片材板发生拉断；
23.步骤五：已知炸药当量w、爆炸距离r，依据z＝r/w
1/3
求得爆炸比例距 离z；通过ufc的p-z关系和i(z，w)函数关系得到爆炸压力p和冲量i，将 该点(p，i)绘制在上面所得到的p-i图中，观察该点所属区域，判断在该设计 工况下片材板-基体界面处是否会发生ic debonding。
24.更为具体的，步骤一中确定应力界限的方法如下：
25.片材板-基体界面处发生ic-debonding时的应力σ
p
的计算公式为：
26.27.其中e
p
和t
p
分别为片材板的弹性模量(mpa)和厚度(mm)；fc＇为基体抗压强度(mpa)；为搭接接头的片材板与基体间的宽度比系数，b
p
和bc分别为片材板和基体的宽度(mm)；为有效粘结长度系数，l为实际粘结长度，为有效粘结长度(mm)；同时，当片材板达到其极限抗拉应力σb时会发生断裂，与片材板-基体界面行为无关，不能用于研究界面粘结性能，因此片材板-基体搭接接头发生icdebonding时片材板跨中处的应力必须小于σb，通过试验研究了片材板在不同应变率下的极限抗拉强度，并导出了cfrp材料动态增长系数的经验公式如公式(2)所示，可据此计算出爆炸荷载下片材板的极限抗拉应力σb作为搭接接头发生类icdebonding的片材板应力上限值；
[0028][0029]
其中，为应变率，σb为片材板的极限抗拉应力(gpa)。
[0030]
具体的，步骤二中确定荷载界限的方法为：选取测试区的基体来进行具体的受力分析和推导，求得施加在搭接接头上的爆炸压力界限。
[0031]
更为具体的，ufc规范经过多次试验得到的p-z的数值关系，计算出在上述爆炸压力界限范围对应的爆炸比例距离，再结合asce规定的远场爆炸条件z＞1.2m/kg
1/3
得到爆炸荷载下片材板-基体搭接接头发生icdebonding破坏模态时的爆炸比例距离z应控制的界限范围，并将p和z的界限范围用于爆炸荷载下片材板-基体搭接接头的工况设计，σ的界限范围用于搭接接头破坏模态评价参照。
[0032]
更为具体的，步骤四中计算并绘制爆炸荷载下片材板-基体界面处发生icdebonding破坏和片材板断裂时的p-i曲线的方法如下：
[0033]
首先需通过调整爆炸比例距离范围z和爆高跨度比a对片材板-基体搭接接头处的爆炸压力实现上下限p
p
、pb均布加载控制，以p
p
加载控制为例，使z保持为最大值，标记为z
p
，为保证搭接接头处爆炸压力为均布压力荷载，以爆炸距离r＝0.5m为初始爆炸距离，则爆炸当量初始值w为0.002kg，通过对爆炸荷载下的搭接接头模拟，对搭接接头迎爆面的压力情况进行分析，压力峰值是否为p
p
，检查压力是否均匀分布，如不满足要求则在保持z
p
值为最大值不变的情况下通过调大爆炸距离r值并同时调整w值重新进行爆炸压力模拟分析，找到b
p1
点；同时，对搭接接头frp跨中应力σ进行分析，看是否达到σ
p
值，随后保持z＝z
p
和p＝p
p
值不变，通过ufc中的i和w、z的相关关系，运用2分法预估第n个爆炸荷载的i
pn
＝2
ip(n-1)
(其中n》1，且σ《σ
p
)或i
pn
＝0.5i
p(n-1)
(其中n》1，且σ》σ
p
)，并根据z
p
值和i
pn
值调整具体的爆炸距离r和爆炸当量w并完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ进行分析，直到σ达到σ
p
，标记为b
pn
点；
[0034]
其次，使z保持z
p
为最小值，依据b
pn
工况下的压力时程曲线计算冲量i
pn
的值，使i＝i
pn
，通过ufc中的i和w、z的相关关系计算得出w的值，带入到公式z＝r/w
1/3
中计算爆炸距离r，标记为b
bn
点，此时b
pn
和b
bn
具有相同的i，对b
bn
工况进行模拟计算，完成爆炸压力pb分析和frp跨中应力σ进行分析，看爆炸压力是否均匀且frp跨中应力是否达到σb值，如不满足要求，则按照b
p1
～b
pn
的方法进行相应调整；
[0035]
最后，计算pb和p
p
之间差值并将其三等分，得到b1和b2对应的爆炸压力 p1、p2，令i1＝i2＝i
pn
＝i
bn
，通过ufc的p-z关系得到爆炸比例距离z1、z2以及i、 w、r关系计算得到w1和w2，并依据z＝r/w
1/3
公式计算出相应的爆炸距离r1、r2， 且当混凝土中出现一条弯曲主裂缝时，开裂界面混凝土拉应力释放传递到frp 板上，导致裂缝附近frp板和混凝土之间局部界面应力迅速增大；随着荷载的 继续增大，frp板中拉应力以及裂缝附近frp板和混凝土间的界面应力也逐渐 增大，当界面应力达到临界值时，裂缝处发生剥离且向一侧端部扩展，基于上 述方法确定了b1和b2工况，对其进行爆炸压力分析爆炸压力是否均匀和frp 跨中应力σ进行分析判断应力σ是否位于应力σ的界限范围[σ
p
,σb]内，并观 察搭接接头的破坏形式验证搭接接头是否属于类ic debonding破坏模态；
[0036]
基于以上爆炸荷载下frp-混凝土搭接接头破坏模态验证准确的条件下， 使用该搭接接头进行数值模拟并推导以预测不同爆炸工况下搭接接头发生类 ic debonding破坏模态的p-i曲线。首先与b1、b2工况相同的方法对b3、b4、 b5工况的z、w和r进行计算，标记为b3、b4、b5点，以b3为例，p3＝p
1-p
pn
，i3＝i
pn
， 通过ufc的p-z关系得出z3及i、w、z关系得出w3，依据公式z＝r/w
1/3
计算得 到r3，在b3工况下进行数值模拟，完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ进 行分析，后续分析工作同b
pn
工况的确定方法，直至frp跨中应力σ＝σ
p
和σ＝σb并 将此点的(p，i)点绘制于p-i曲线上，标记为b
3-1
和b
3-2
点，最后通过拟合 的方式将σ＝σ
p
和σ＝σb的各点绘制成曲线，用以预测爆炸荷载下frp-混凝土 搭接接头发生ic debonding破坏模态时的p-i曲线，得到p-i关系的计算公 式。
[0037]
本发明还提供了一种如上所述的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性 能的试验装置参数的推导方法：
[0038]
所述基体为混凝土梁时，所述基体长度lm的推导方法如下：
[0039]
根据z＝r/w
1/3
＞1.2，确定最小爆点高度r0，在确定满足最小爆点高度的 r0后，根据r0/l＞0.5，确定满足爆炸荷载可简化为等效均布荷载条件的基体 长度最大值lm，所述基体的长度设计值l应小于lm；
[0040]
所述基体高度h的高度要求计算方法如下：
[0041]
根据应力波在混凝土中的传播理论和ceb2010，可根据下列公式计算应 力波在不同强度混凝土中的传播速度：
[0042][0043]
ec＝18.275(f
′c/10)
1/3
[0044]
其中vc为应力波在混凝土中的传播速度，ec为混凝土的弹性模量，ρc为混 凝土的密度，取2400kg/m3，f
′c为混凝土的圆柱体抗压强度；
[0045]
计算得到各强度下应力波在混凝土中的平均传播速度为108mm/ms，根据数值 模拟计算得到本发明所提出的试验装置在爆炸荷载作用下从界面行为开始到 界面完全脱粘破坏的持续时间为2ms，由此可推导：要保证应力波(压缩波) 在由基体上表面传入到基体底面后反射为拉伸波继续传向上表面引起界面破 坏前完成脱粘过程，基体的高度h须大于108mm。
[0046]
所述片材板和测试区的基体的粘结长度需大于有效粘结长度，有效粘结长 度的计算式如下
[0047][0048]
其中f
′c为混凝土的圆柱体抗压强度，e
p
和t
p
分别为片材板的弹性模量(mpa) 和厚度(mm)。
[0049]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0050]
本发明提供的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验装置将片 材板粘贴在迎爆面，将支座设置在两个基体相靠近一端的底面上，能够有效避 免基体在片材板-基体界面行为发生之前发生破坏和片材板-基体界面处发生 剪切破坏，且通过控制测试区的片材板宽度远小于非测试区的片材板宽度，从 而保证破坏只发生在测试区域；本发明还提供了一种试验方法，该方法基于片 材板-基体界面发生ic debonding破坏和片材板发生断裂时的应力区间，对片 材板-基体搭接接头发生ic debonding破坏时的爆炸压力进行控制，提出了爆 炸荷载下片材板-基体界面处发生ic debonding破坏的p-i曲线，可以用于指 导爆炸荷载下的片材板-基体搭接接头设计工况，基于上述的试验装置和试验 方法可以保证爆炸荷载下片材板-基体搭接接头界面处只发生ic debonding， 可以用于研究爆炸荷载下的片材板-基体界面动态粘结-滑移行为。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1～图3为现有技术中所应用的试验用搭接接头；
[0053]
图4为实施例一提供的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验 装置的正视图；
[0054]
图5为实施例一提供的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验 装置的俯视图；
[0055]
图6～图7为实施例二提供的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的 试验方法中对搭接接头的受力简图；
[0056]
图8为爆炸荷载下片材板-基体搭接接头破坏模态验证工况图；
[0057]
图9为爆炸荷载下爆炸荷载下片材板-基体搭接接头发生ic debonding以 及片板材断裂时的p-i曲线图；
[0058]
图中：1-片材板、2-基体、3-支座、4-铰接点、5-爆点。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
本发明的目的是提供一种爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试 验装置及方法，以解决现有技术存在的问题，保证在合理且可控的破坏模态下 研究爆炸荷载作用下frp-混凝土界面处粘结滑移行为。
[0061]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0062]
实施例一
[0063]
本实施例提供了一种爆炸荷载作用下测量片材与基体界面性能的试验装 置，如图4～5所示，包括：片材板1和两个基体2，基体2为长方体或立方体 型混凝土构件，片材板1为frp板，两个基体2之间具备间隙，间隙的正上方 用于设置爆点，两个基体2的顶面位于同一平面且均为迎爆面，一个基体2 的顶面为测试区，另一个为非测试区，片材板1粘接于两个基体2的顶面且跨 过两个基体2之间的间隙，位于非测试区的片材板1的宽度为位于测试区的片 材板1的宽度的2～6倍，两个基体2相靠近的一端铰接连接，铰接点4靠近底 面设置，两个基体2相靠近的一端的底面上设置有用于支撑基体2的两个支座 3，支座3与基体2铰接。
[0064]
本实施例提供的爆炸荷载作用下测量片材与基体2界面性能的试验装置 将片材板1粘贴在迎爆面，将支座3设置在两个基体2相靠近一端的底面上， 能够有效避免基体2在片材板-基体界面行为发生之前发生破坏和片材板-基体 界面处发生剪切破坏，且通过控制测试区的片材板1宽度远小于非测试区的片 材板1宽度，从而保证破坏只发生在测试区域；以保证在合理且可控的破坏模 态下研究爆炸荷载作用下frp-混凝土界面处粘结滑移行为。
[0065]
进一步的，基体2长500mm、宽100mm、高150mm，位于非测试区的片材 板1的宽度与基体2等宽，为100mm，位于测试区的片材板1的宽度为15mm。
[0066]
进一步的，基体2的高度不小于108mm。
[0067]
实施例二
[0068]
本实施例提供了一种基于实施例一中所述的爆炸荷载作用下测量片材与 基体界面性能的试验装置的试验方法，包括：
[0069]
步骤一：确定应力界限，即确定测试区的片材板从基体顶面脱粘的破坏应 力σ
p
，片材板拉断的极限抗拉应力σb；
[0070]
步骤二：确定荷载界限，通过受力分析分别求得能够达到σ
p
和σb所需的 爆炸压力p1和p2；
[0071]
步骤三：确定爆炸比例距离z，结合asce规定的远场爆炸条件z＞ 1.2m/kg
1/3
和ufc规范经过多次试验得到的p-z的数值关系，得到爆炸荷载下 片材板和基体之间发生ic debonding破坏模态时的爆炸比例距离z；
[0072]
步骤四：基于爆炸比例距离z、爆炸压力p和片材板应力σ对片材板-基 体搭接接头进行等损伤数值模拟分析绘制并得到爆炸荷载下片材板-基体界面 处分别发生ic debonding破坏和片材板断裂时的p-i曲线，这两条曲线将p-i 图分为了三个区域，三个区域分别表示在该荷载工况下片材板-基体界面处无 损伤、发生ic debonding、片材板发生拉断；
[0073]
步骤五：已知炸药当量w、爆炸距离r，依据z＝r/w
1/3
求得爆炸比例距 离z；通过ufc
的p-z关系和i(z，w)函数关系得到爆炸压力p和冲量i，将该点(p，i)绘制在上面所得到的p-i图中，观察该点所属区域，判断在该设计工况下片材板-基体界面处是否会发生icdebonding。
[0074]
进一步的，步骤一中确定应力界限的方法如下：
[0075]
片材板-基体界面处发生ic-debonding时的应力σ
p
的计算公式为：
[0076][0077]
其中e
p
和t
p
分别为片材板的弹性模量(mpa)和厚度(mm)；fc＇为基体抗压强度(mpa)；为搭接接头的片材板与基体间的宽度比系数，b
p
和bc分别为片材板和基体的宽度(mm)；为有效粘结长度系数，l为实际粘结长度，为有效粘结长度(mm)；同时，当片材板达到其极限抗拉应力σb时会发生断裂，与片材板-基体界面行为无关，不能用于研究界面粘结性能，因此片材板-基体搭接接头发生icdebonding时片材板跨中处的应力必须小于σb，通过试验研究了片材板在不同应变率下的极限抗拉强度，并导出了cfrp材料动态增长系数的经验公式如公式(2)所示，可据此计算出爆炸荷载下片材板的极限抗拉应力σb作为搭接接头发生类icdebonding的片材板应力上限值；
[0078][0079]
其中，为应变率，σb为片材板的极限抗拉应力(gpa)。
[0080]
进一步的，步骤二中确定荷载界限的方法为：选取测试区的基体来进行具体的受力分析和推导，求得施加在搭接接头上的爆炸压力界限。
[0081]
进一步的，ufc规范经过多次试验得到的p-z的数值关系，计算出在上述爆炸压力界限范围对应的爆炸比例距离，再结合asce规定的远场爆炸条件z＞1.2m/kg
1/3
得到爆炸荷载下片材板-基体搭接接头发生icdebonding破坏模态时的爆炸比例距离z应控制的界限范围，并将p和z的界限范围用于爆炸荷载下片材板-基体搭接接头的工况设计，σ的界限范围用于搭接接头破坏模态评价参照。
[0082]
进一步的，步骤四中计算并绘制爆炸荷载下片材板-基体界面处发生icdebonding破坏和片材板断裂时的p-i曲线的方法如下：
[0083]
首先需通过调整爆炸比例距离范围z和爆高跨度比a对片材板-基体搭接接头处的爆炸压力实现上下限p
p
、pb均布加载控制，以p
p
加载控制为例，使z保持为最大值，标记为z
p
，为保证搭接接头处爆炸压力为均布压力荷载，以爆炸距离r＝0.5m为初始爆炸距离，则爆炸当量初始值w为0.002kg，通过对爆炸荷载下的搭接接头模拟，对搭接接头迎爆面的压力情况进行分析，压力峰值是否为p
p
，检查压力是否均匀分布，如不满足要求则在保持z
p
值为最大值不变的情况下通过调大爆炸距离r值并同时调整w值重新进行爆炸压力模拟分析，找到b
p1
点；同时，对搭接接头frp跨中应力σ进行分析，看是否达到σ
p
值，随后保持z＝z
p
和p＝p
p
值不变，通过ufc中的i和w、z的相关关系，运用2分法预估第n个爆炸荷载的i
pn
＝2
p(n-1)
(其中n＞1，且σ＜σ
p
)或i
pn
＝0.5i
p(n-1)
(其中n＞1，且σ＞σ
p
)，并根据z
p
值和i
pn
值调整
具体的爆炸距离r和爆炸当量w并 完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ进行分析，直到σ达到σ
p
，标记为b
pn
点；
[0084]
其次，使z保持z
p
为最小值，依据b
pn
工况下的压力时程曲线计算冲量i
pn
的值，使i＝i
pn
，通过ufc中的i和w、z的相关关系计算得出w的值，带入 到公式z＝r/w
1/3
中计算爆炸距离r，标记为b
bn
点，此时b
pn
和b
bn
具有相同的i， 对b
bn
工况进行模拟计算，完成爆炸压力pb分析和frp跨中应力σ进行分析， 看爆炸压力是否均匀且frp跨中应力是否达到σb值，如不满足要求，则按照 b
p1
～b
pn
的方法进行相应调整；
[0085]
最后，计算pb和p
p
之间差值并将其三等分，得到b1和b2对应的爆炸压力 p1、p2，令i1＝i2＝i
pn
＝i
bn
，通过ufc的p-z关系得到爆炸比例距离z1、z2以及i、 w、r关系计算得到w1和w2，并依据z＝r/w
1/3
公式计算出相应的爆炸距离r1、r2， 且当混凝土中出现一条弯曲主裂缝时，开裂界面混凝土拉应力释放传递到frp 板上，导致裂缝附近frp板和混凝土之间局部界面应力迅速增大；随着荷载的 继续增大，frp板中拉应力以及裂缝附近frp板和混凝土间的界面应力也逐渐 增大，当界面应力达到临界值时，裂缝处发生剥离且向一侧端部扩展，基于上 述方法确定了b1和b2工况，对其进行爆炸压力分析爆炸压力是否均匀和frp 跨中应力σ进行分析判断应力σ是否位于应力σ的界限范围[σ
p
，σb]内，并观 察搭接接头的破坏形式验证搭接接头是否属于类ic debonding破坏模态；
[0086]
基于以上爆炸荷载下frp-混凝土搭接接头破坏模态验证准确的条件下， 使用该搭接接头进行数值模拟并推导以预测不同爆炸工况下搭接接头发生类 ic debonding破坏模态的p-i曲线。首先与b1、b2工况相同的方法对b3、b4、 b5工况的z、w和r进行计算，标记为b3、b4、b5点，以b3为例，p3＝p
1-p
pn
，i3＝i
pn
， 通过ufc的p-z关系得出z3及i、w、z关系得出w3，依据公式z＝r/w
1/3
计算得 到r3，在b3工况下进行数值模拟，完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ进 行分析，后续分析工作同b
pn
工况的确定方法，直至frp跨中应力σ＝σ
p
和σ＝σb并 将此点的(p，i)点绘制于p-i曲线上，标记为b
3-1
和b
3-2
点，最后通过拟合 的方式将σ＝σ
p
和σ＝σb的各点绘制成曲线，用以预测爆炸荷载下frp-混凝土 搭接接头发生ic debonding破坏模态时的p-i曲线，得到p-i关系的计算公 式。
[0087]
实施例三
[0088]
本实施例提供了一种实施例一中的爆炸荷载作用下测量片材与基体界面 性能的试验装置参数的推导方法：
[0089]
基体为混凝土梁时，基体长度lm的推导方法如下：
[0090]
根据z＝r/w
1/3
＞1.2，确定最小爆点高度r0，在确定满足最小爆点高度的 r0后，根据r0/l＞0.5，确定满足爆炸荷载可简化为等效均布荷载条件的基体 长度最大值lm，基体的长度设计值l应小于lm；
[0091]
基体高度h的高度要求计算方法如下：
[0092]
根据应力波在混凝土中的传播理论和ceb2010，可根据下列公式计算应 力波在不同强度混凝土中的传播速度：
[0093][0094]
ec＝18.275(f
′c/10)
1/3
[0095]
其中vc为应力波在混凝土中的传播速度，ec为混凝土的弹性模量，ρc为混 凝土的
密度，取2400kg/m3，f
′c为混凝土的圆柱体抗压强度；
[0096]
计算得到各强度下应力波在混凝土中的平均传播速度为108mm/ms，根据数值 模拟计算得到本发明所提出的试验装置在爆炸荷载作用下从界面行为开始到 界面完全脱粘破坏的持续时间为2ms，由此可推导：要保证应力波(压缩波) 在由基体上表面传入到基体底面后反射为拉伸波继续传向上表面引起界面破 坏前完成脱粘过程，基体的高度h须大于108mm。
[0097]
frp-混凝土界面受力性能的一个重要特点是存在一个有效粘结长度le的 概念，即：如果frp的粘结长度l小于le，则剥离承载力会随着粘结长度的 增加而提高；如果frp的粘结长度大于le，则继续增加粘结长度将不能继续 提高剥离承载力。另外，如果试验中在加载端预留的非锚固长度不足，则加载 端附近角部的混凝土往往也会被拉下来一块，因此本发明的搭接接头测试区的 frp粘结长度需大于有效粘结长度，有效粘结长度的计算式如下
[0098][0099]
其中f
′c为混凝土的圆柱体抗压强度，ep和tp分别为片材板的弹性模量 (mpa)和厚度(mm)。
[0100]
具体应用实施例如下：
[0101]
步骤一：确定应力界限
[0102]
frp加固梁式构件发生ic-debonding时的应力σ
p
的计算如公式(1)所示， 研究拟以此作为frp-混凝土弯曲搭接接头发生类ic debonding的frp应力下 限值，如公式(1)所示
[0103][0104]
其中e
p
和t
p
分别为frp的弹性模量(mpa)和厚度(mm)；fc＇为混凝土的圆柱体抗 压强度(mpa)；为搭接接头的frp与混凝土间的宽度比系数，b
p
和bc分别为frp和混凝土的宽度(mm)；为有效粘结长度系数，l为 实际粘结长度，为有效粘结长度(mm)。本发明中设计的frp-混凝土修 正梁式弯曲搭接接头中部分参数如表1所示：
[0105]
表1 frp-混凝土修正梁式弯曲搭接接头参数
[0106][0107]
可据此计算出有效粘结长度le＝62.3mm小于粘结长度l＝200mm，故β
l
＝1；宽度 比系数β
p
＝0.707，得到σ
p
＝139.0mpa。同时，当frp达到其极限抗拉应力σb时 会发生断裂，与
frp-混凝土界面行为无关，不能用于研究界面粘结性能，因 此frp-混凝土修正梁式弯曲搭接接头发生ic debonding时frp跨中处的应力 必须小于σb。通过试验研究了frp在不同应变率下的极限抗拉强度，并导出了 cfrp材料动态增长系数的经验公式如公式(2)所示，可据此计算出爆炸荷载下 frp的极限抗拉应力σb作为搭接接头发生类ic debonding的frp应力上限值。
[0108][0109]
其中，为应变率，σb为frp的极限抗拉应力(gpa)。由于frp最大抗拉强度 为351mpa，bischoff等指出爆炸荷载的应变率通常为100-1000s-1
，取爆炸荷 载应变率为1000s-1
，可计算得到：σb＝2241mpa。
[0110]
步骤二：确定荷载界限，如图6～7所示为frp-混凝土弯曲搭接接头的受 力简图，用铰接的方式将两块长为l、高为h的混凝土梁连接在一起，其迎爆 面上粘贴frp，两固定支座3设立在距离搭接接头跨中d的位置，简化为均布 荷载的爆炸荷载施加在搭接接头上。
[0111]
由于该弯曲搭接接头为对称结构，因此选取左半跨来进行具体的受力分析 和推导，受力分析如下：
[0112][0113][0114][0115][0116]
p＝q/bcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0117]
由上述计算所得ic debonding的应力界限范围为139～2241mpa，因此由(6) 式可求得q
p
～qb的范围为26.5～426.9n/mm，代入(7)式最终可以求得施加在搭 接接头上的爆炸压力界限p
p
～pb为0.27～4.27mpa。
[0118]
步骤三：基于远场爆炸条件的爆炸比例距离和爆炸压力界限
[0119]
ufc规范经过大量试验得到的p-z的数值关系，所以在上述爆炸压力界限 范围对应的爆炸比例距离为1.25～4.4m/kg
1/3
，再结合asce规定的远场爆炸条 件z＞1.2m/kg
1/3
得到爆炸荷载下frp-混凝土搭接接头发生ic debonding破坏 模态时的爆炸比例距离z应控制在[1.25，4.4]m/kg
1/3
之间。因此，类ic debonding破坏模态的应力σ的界限范围[σ
p
,σb]为[139，2241]mpa，爆炸压力p的界限范围[p
p
，pb]为[0.27，4.27]mpa，爆炸比例距离z的界限范围[z
p
， zb]为[1.25，4.4]m/kg
1/3
，并将p和z的界限范围用于爆炸荷载下frp-搭接 接头的工况设计，σ的界限范围用于搭接接头破坏模态评价参照。
[0120]
步骤四：计算并绘制爆炸荷载下的frp-混凝土弯曲搭接接头类ic debonding破坏模态和frp断裂时的p-i曲线
[0121]
首先需通过调整爆炸比例距离范围z和爆高跨度比a对frp-混凝土弯曲 搭接接头处的爆炸压力实现上下限p
p
、pb均布加载控制。以p
p
加载控制为例， 如图8所示，使z保持z
p
值4.4m/kg
1/3
，为保证搭接接头处爆炸压力为均布压 力荷载，以爆炸距离r＝0.5m为初始爆炸距离，则爆炸当量初始值w为0.002kg。 通过对爆炸荷载下的搭接接头模拟，对搭接接头
迎爆面的压力情况进行分析， 压力峰值是否为p
p
，检查压力是否均匀分布，如不满足要求则在保持z
p
值4.4 m/kg
1/3
不变的情况下通过调大爆炸距离r值并同时调整w值重新进行爆炸压力 模拟分析，找到图8所示b
p1
点；同时，对搭接接头frp跨中应力σ进行分析， 看是否达到σ
p
值。随后保持z＝z
p
和p＝p
p
值不变，通过ufc中的i和w、z的相 关关系，运用2分法预估第n个爆炸荷载的i
pn
＝2i
p(n-1)
(其中n＞1，且σ＜σ
p
) 或i
pn
＝0.5i
p(n-1)
(其中n＞1，且σ＞σ
p
)，并根据z
p
值和i
pn
值调整具体的爆炸 距离r和爆炸当量w并完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ进行分析，直 到σ达到σ
p
，如图8所示b
pn
点。
[0122]
其次，使z保持z
p
值1.25m/kg
1/3
，依据b
pn
工况下的压力时程曲线计算冲 量i
pn
的值，使i＝i
pn
，通过ufc中的i和w、z的相关关系计算得出w的值， 带入到公式z＝r/w
1/3
中计算爆炸距离r，如图8所示的b
bn
点，此时b
pn
和b
bn
具 有相同的i。对b
bn
工况进行模拟计算，完成爆炸压力pb分析和frp跨中应力σ 进行分析，看爆炸压力是否均匀且frp跨中应力是否达到σb值，如不满足要求， 则按照b
p1
～b
pn
的方法进行相应调整。
[0123]
最后，计算pb和p
p
之间差值并将其三等分，得到b1和b2对应的爆炸压力 p1、p2，令i1＝i2＝i
pn
＝i
bn
，通过ufc的p-z关系得到爆炸比例距离z1、z2以及i、w、r关系计算得到w1和w2，并依据z＝r/w
1/3
公式计算出相应的爆炸距离r1、r2。 对ic debonding的破坏特征进行了研究：当混凝土中出现一条弯曲主裂缝时， 开裂界面混凝土拉应力释放传递到frp板上，导致裂缝附近frp板和混凝土之 间局部界面应力迅速增大；随着荷载的继续增大，frp板中拉应力以及裂缝附 近frp板和混凝土间的界面应力也逐渐增大，当界面应力达到临界值时，裂缝 处发生剥离且向一侧端部扩展。基于上述方法确定了b1和b2工况，对其进行 爆炸压力分析爆炸压力是否均匀和frp跨中应力σ进行分析判断应力σ是否位 于应力σ的界限范围[σ
p
，σb]内，并观察搭接接头的破坏形式验证搭接接头 是否属于类ic debonding破坏模态。
[0124]
基于以上爆炸荷载下frp-混凝土搭接接头破坏模态验证准确的条件下，使 用该搭接接头进行数值模拟并推导以预测不同爆炸工况下搭接接头发生类icdebonding破坏模态的p-i曲线。首先与b1、b2工况相同的方法对b3、b4、b5工况的z、w和r进行计算，如图9所示的b3、b4、b5点。以b3为例，p3＝p
1-p
pn
， i3＝i
pn
，通过ufc的p-z关系得出z3及i、w、z关系得出w3，依据公式z＝r/w
1/3
计算得到r3。在b3工况下进行数值模拟，完成爆炸压力p
p
分析和frp跨中应力σ 进行分析，后续分析工作同b
pn
工况的确定方法，直至frp跨中应力σ＝σ
p
和σ＝σb， 并将此点的(p，i)点绘制于p-i曲线上，如图9b
3-1
和b
3-2
点。最后通过拟合的 方式将σ＝σ
p
和σ＝σb的各点绘制成曲线，用以预测爆炸荷载下frp-混凝土搭接 接头发生ic debonding破坏模态时的p-i曲线，得到p-i关系的计算公式。
[0125]
步骤五：基于p-i曲线指导爆炸荷载设计
[0126]
已知炸药当量w、爆炸距离r，依据z＝r/w
1/3
求得爆炸比例距离z；通过 ufc的p-z关系和i(z，w)函数关系得到爆炸压力p和冲量i，将该点(p，i) 绘制在上面所得到的p-i图中，观察该点所属区域，判断在该设计工况下frp
‑ꢀ
混凝土搭接接头界面处是否会发生ic debonding。
[0127]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实 施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域 的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改 变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。