锤击钢筋混凝土构上件的作用效应.doc
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1、锤击钢筋混凝土构件的作用效应 锤是简单的设备,简单到没人在乎它的工作原理。锤击是复杂的作用方式,复杂到没人清楚它的作用效应。正因如此,锤的应用范围被无限扩大,以致 “黄大锤”每年捣毁上万亿房产无人过问。本文的目的也仅在于说明展开相关研究的必要性。 先讨论长杆形锤沿轴线击打混凝土长杆这种简单情况。混凝土杆可以看成是由弹性不很好的弹簧(化学键)连接的一串原子构成。从左端开始,前四个原子依次称为,最后三个。 在锤的作用下向右移动,反作用使锤速减小。可以称这是最初的扰动(波前),锤击开始。的右移通过弹簧挤压,也右移,但因惯性比略有延迟,对的反挤压则阻滞的右移,锤继续对施加更大的压力以抵消对的反挤压,同
2、时使以更大的力量挤压,进一步向右移动进而挤压,也右移挤压.随着时间的延续,扰动向右传递。图一的曲线表示某一时刻杆内应力的大小情况。随着锤的速度的逐渐减小,速度的逐渐增加,锤与的速度会在某一时刻相等,这时锤、之间的作用力达到最大值(图二)。 接下来,与、与、与之间的作用力也将依次达到最大值,而锤在锤、之间作用力的作用下,相对于开始向左移动,从而导致锤、之间作用力的减小。这个“减小”使相对于也开始向左移动,又导致、之间作用力的减小,进而、之间作用力也会减小(图三)。当锤、之间的作用力从最大值减小到零时,锤击结束(图四),所需时间由锤的大小和杆的横截面积等因素决定,一般在毫秒量级,最初的扰动可以到达
3、距几米处,并以杆内音速继续前进。杆的每段都会有段相同的经历,只是早晚不同。这就是锤击产生的应力波。 锤击结束的瞬间,锤与的速度第二次相等,都指向左方,在惯性主导下一同向左移动。的左移通过弹簧牵拉,使加速左移,在的反牵拉作用下速度减小,因锤不再受力,所以锤速不变,于是出现锤被弹离端的现象(此时锤速可由恢复系数算出,数值上比最初锤速小,图五、图六最低点对应的数值假定为最高点数值的一半)。的左移拉也加速左移,又拉.这样,刚刚承受挤压的区段现在承受拉伸。不会一直拉着,而是拉够了压,压够了再拉(图六、七、八)。末段的情况有些复杂,可也是重点。当最初的扰动到达,也就是受到的挤压时,同时反挤压,并右移又挤压
4、了,同样反挤压并右移。的右移与、的不同,右移受阻滞,右移受阻滞,的右移则获得了前所未有的自由,它把它所受到的压力完全转化为动力,以比更大的加速度右移。的右移会使、之间的挤压力减小,其值为零时,、之间的弹力势能完全转化为的动能,相对于的速度达到最大值。随后因惯性相对于继续右移,、之间已由刚才的挤压变成了拉伸,直至相对于的动能再次完全转化为、之间的弹力势能,相对停止右移,、之间的拉伸力达到最大值,其值与它们曾经经历过的最大挤压力几乎相等。拉,导致拉,又拉.这就是应力波在自由端的反射,传播方向与入射波相反,而且,入射波是压应力波时,反射波则成了拉应力波。这还只是最初扰动被反射的情景,随着后续扰动的到
5、达,相邻两原子的作用性质及大小取决于入射波和反射波的叠加。对于、来说,因为它们总是同时受到两个相邻扰动的影响,而相邻扰动大小几乎相等,被反射的扰动又与先前拉压相反,所以叠加的结果是基本抵消,也就是说、之间的应力始终接近零,所以锤击不能损害自由端表面。图九至图十五的红色曲线表示杆内应力相应反射波的大小情况,绿色曲线表示杆内应力相应入射波的大小情况,黑色曲线则是叠加后的应力分布。图十六是反射波又被反射的情况。 这是杆未被锤击损坏的情况。而现实生活中,无论出于什么目的,人们总是可以得到一些效果,这就要求我们了解出现这些效果的原因。为此,需要知道杆内应力的确切数值。这是一个计算最大应力的公式: v/(
6、1/(dccc)+1/(dgcg) ,其中:v-锤相对于杆的速度; dc、dg-分别是锤、杆的密度; cc、cg-分别是锤、杆内的音速。 如果是理想的30混凝土,图二至九的黑色曲线、图十的绿线及图十六红线最高点,以及图十三至十五红线的最低点对应的应力值是 v/(1/(78505120)+1/(24003506)=7v(兆帕).图五至十二的黑色曲线、图十四的绿线的最低点,以及图十六绿线的最高点对应的应力值为其一半。压应力还是拉应力由轴线的上、下表示。 当锤速小于每秒0.2857米(相当于自由下落4毫米的速度)时,杆内拉应力最大值对应的是图十四中黑色曲线的最低点,其值 7v+3.5v3,低于30混
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