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泡沫填充混凝土的贯入力学行为研究

郭周扬  
【摘要】:泡沫混凝土作为保温隔热材料已经广泛用于土木工程。目前,由于其密度低、强度低、缓冲吸能性能好和强度可设计等特点,开始作为拦阻材料应用于飞机道面拦阻系统(Engineered Material Arresting System,EMAS),以拦停意外冲出跑道的飞机,减少飞机冲出跑道所造成的危害。在该应用中,泡沫混凝土受到飞机机轮滚动冲击的作用,但由于泡沫混凝土材料内部存在大量孔洞,自然环境下易吸水老化,耐久性差。泡沫填充混凝土(Foam Filled Concrete,FFC)是将聚苯乙烯泡沫(Expanded polystyrene,EPS)颗粒作为轻质骨料加入水泥砂浆中制成的一种新型混凝土,可望解决EMAS的耐久性差问题。本文通过圆柱平头和缩比机轮的动静态贯入实验,研究泡沫填充混凝土的动静态贯入力学性能,为该材料应用于飞机道面拦阻系统提供理论依据,具体研究内容如下:(1)研究飞机拦阻问题中涉及的特征尺寸、特征时间、特征质量、特征密度和特征强度等物理量的量纲和量级,运用量纲分析和能量守恒对EMAS拦阻飞机的过程进行了分析,确定了影响拦阻距离的相关物理量,建立了针对不同机型飞机的拦阻距离预测模型。(2)研究泡沫填充混凝土在圆柱平头和缩比机轮准静态贯入荷载作用下的力学性能与吸能特性。采用准静态圆柱平头贯入实验,研究不同泡沫掺量泡沫填充混凝土的准静态贯入力学特性,分析准静态圆柱平头贯入失效荷载与泡沫体积含量、材料的剪切强度和单轴压缩屈服应力之间的关系,进而对泡沫填充混凝土材料的准静态圆柱平头贯入失效荷载进行预测;采用两种不同尺寸的缩比机轮,通过准静态机轮贯入实验研究机轮尺寸和泡沫体积含量对泡沫填充混凝土机轮贯入力学行为的影响,并采用量纲分析对机轮贯入荷载进行预测。(3)研究泡沫填充混凝土在圆柱平头冲击贯入荷载和缩比机轮冲击贯入荷载作用下的力学性能与吸能特性。采用圆柱平头和缩比机轮两类不同的冲击加载头,通过落锤冲击实验,研究泡沫体积含量和冲击速度对泡沫填充混凝土材料的动态贯入曲线和能量吸收特性的影响;采用量纲分析的方法分析泡沫填充混凝土在圆柱平头和机轮动态贯入荷载作用下的能量吸收特性,并推导机轮动态贯入曲线的预测函数关系式。


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