A study of impact mechanical properties of the bamboo scrimber along the grain
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摘要: 重组竹是一种新型竹基复合材料，其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能，以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象，通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验，研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明：重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段，破坏类型为延性破坏，其各项强度指标随应变率的提高而提高，动态增长因子与应变率之间呈现线性关系，斜率为0.0024；重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系，且随应变率的增长而增大，证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明，重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。Abstract: Bamboo scrimber is a new type of bamboo-based composite materials with outstanding mechanical properties which is more effective than some wood such as pine. In order to evaluate the impact mechanical properties of the bamboo scrimber along the grain under impact loading, this study made the samples by commercial bamboo scrimber as the research object with the density about 1.06 g/cm3 and the moisture content about 8.52%, manufactured by Moso bamboo with the age of 3−5 years. The quasi-static uniaxial compression, cyclic loading and unloading, and dynamic loading tests were all carried out to explore its loading deformation process, various mechanical performance parameters, and the strain rate effect under different strain rates, as obtained by the MTS universal material testing machine and the split Hopkinson pressure bar (SHPB) testing system, respectively. The results show that the compression process of the bamboo scrimber along the grain can be divided into an elastic deformation stage and an elastic-plastic deformation stage. The failure type of bamboo scrimber under compression load was ductile failure with much better energy absorption capacity than brittle failure. Its various strength indexes, including elastic ultimate strength, yield strength and failure strength showed high strain rate sensibility, all go up with the increase of the strain rate. A linear relationship exists between the dynamic increase factor (DIF) and strain rate, with a slope of about 0.0024. The strain energy density during the compression process of the bamboo scrimber also exhibits a linear relationship with the strain, and it increases with the increase of strain rate, indicating that the energy absorption capacity of bamboo scrimber increases with the increasing strain rate. In summary, as verified by tests, the impact mechanical properties of the bamboo scrimber along the grain are good and its strain rate effect is significant.
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爆破振动强度的影响因素极其复杂，其衰减特征是在基于实践经验和对数据统计分析的基础上得到的，随着爆破技术在边坡工程中的广泛应用，萨道夫斯基公式计算值与实测数据的误差达到50%以上[1]，该公式对高差变化较大的地形已不再适用。许多学者采用现场实验、理论分析及数值模拟等手段对爆破振动的地形效应进行了深入研究。台阶地形的放大效应与高程、爆源距、坡面角以及结构面的产状有关[2-5]。吕淑然等[6]认为台阶正高差地形的高程越高放大效应越明显，而唐海等[1]认为台阶地形中振动速度的放大系数存在最大值。万鹏鹏等[7]通过实验观测分析得到台阶地形爆破振动放大效应是受鞭梢效应和坡面效应影响的结论。张伟康等[8]、胡光球等[9]、周同龄等[10]通过分析与爆破振动有关的物理量，运用量纲分析法推导了反映高程放大效应的爆破振动公式并在工程中应用。同时，动力有限元方法成功应用在了爆破动态模拟中，并被证明在边坡顶部质点振动速度都呈现出放大效应[11]，放大现象是一个局部的动力响应[12]，振动速度放大效应的实质是在台阶平台上产生波形转换及波形叠加[13]。
本文中利用数值模拟方法对台阶地形爆破地震波的放大与衰减规律进行研究，结合现场实验数据分析结果提出台阶地形爆破振动速度预测模型。
1. 数值模拟
1.1 参数选取
模型做如下假设：岩石视为各向同性的连续均匀介质，爆轰产物的膨胀是绝热过程；忽略重力影响。台阶模型的岩石材料参数如表 1所示，炸药材料及状态方程参数如表 2所示。
表 1 岩石材料参数Table 1. Material parameters of rock岩石 岩石密度/(g·cm-3) 弹性模量/GPa 泊松比 切线模量/GPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 闪长玢岩 2.54 57.64 0.27 5.5 56 4.49 表 2 炸药的材料和状态方程参数Table 2. Material and equation of state parameters of explosive密度/(g·cm-3) 爆速/(km·s-1) 爆压/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω E/GPa 1.0 3 3.43 321.9 0.18 4.2 0.8 0.15 3.51 采用高能炸药材料和JWL状态方程描述，爆轰压力计算：
p=A(1−ωR1V)e−R1V+B(1−ωR2V)e−R2V+ωEV (1) 式中:p为爆轰压力, E为炸药爆轰产物的内能, V为爆轰产物的相对体积, A、B、R1、R2、ω、为所选炸药的性质常数。
1.2 模型建立
利用LS-DYNA程序建立爆破模型，根据实验方案、岩石物理力学参数以及爆破参数，边坡爆破各模型尺寸：台阶高度H分别为12、15、18、21 m；台阶坡底面宽度W分别为10、15、20 m；坡面角为90°。图 1中给出了模型边界条件及炮孔主要参数。
1.3 台阶高度对振速的影响
模型计算时间0.03 s。爆炸后模型质点竖直方向振动速度随时间变化形态如图 2所示。
通过LS-PrePost后处理程序提取时间历程记录点处竖直方向的峰值质点振动速度，12组数值模型的计算结果如图 3所示。
图 3 质点峰值振动速度随高程变化曲线Figure 3. Variation of peak particle vibration velocity with elevation台阶表面质点振动速度总体上随距离的增加呈指数衰减规律；对于单个台阶，由于高差的存在质点振动速度在上级台阶坡顶处产生放大效应。由图 2中曲线分析可得：爆破振动速度的高程放大效应是在爆源距和高差达到一定值后产生。当W=10 m、H=12 m，振动速度的放大效应在第3级台阶出现，为研究产生放大效应后高程对振动速度的影响规律，改变第3级台阶的高度，建立16个台阶模型。
台阶坡顶质点振动速度的放大倍数n随高差的变化曲线如图 4所示，高差由1 m增加到18 m，放大倍数n呈现先增加后降低的变化规律，当高差为9 m时，放大倍数n达到最大值1.34。
质点振动速度的放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，当台阶高度超过某一临界值时，放大倍数随台阶高度的增加而减小。这一现象表明，高程对地震波既有放大作用也存在衰减作用。
1.4 台阶坡底面宽度对振速的影响
当台阶高度一定，坡底面宽度分别为10、15、20 m时，建立12组数值模型，台阶坡顶、坡底处质点峰值振动速度与坡底面宽度的关系如图 5所示。
图 4中质点峰值振动速度衰减特征显示，坡底面宽度越大，相同高程处质点振动速度越低；坡底面宽度较大台阶的爆破振动速度衰减速率更快。振动速度随坡面宽度增大而减小。在有高差存在的台阶地形中，高程和爆源水平距离的共同作用影响爆破振动速度的大小。
2. 反应高程的数学模型
根据模拟实验数据的分析结果，结合对各参考文献中爆破振动速度计算经验公式的分析，认为用下式对台阶地形爆破振动速度计算更为准确：
v=K(3√QR)α(3√QH)β H≠0 (2) 式中：v为质点峰值振动速度，Q为装药量，R为距爆源的水平距离，H为高程差，K、α、β为与岩石、地形相关的系数。
如图 6所示，炸药爆炸后产生的爆破地震波传播至点A、B、C时，水平距离R对振动速度的衰减作用相同，A点振动速度为v，由于高程的影响B点振速为v+v′，高差h1对振动速度起到放大作用；当单个台阶高程增加为h1+h2时，C点速度降为v-v″，此时高程对振动速度起到衰减的作用。式(2)中R为距爆源水平距离，不影响高差对振速的作用。高差H值在一定范围内，产生振速放大效应，数据拟合得到的β为负值；高程增加到某一值后，此时速度v随着H的不断增加而降低，数据拟合得到的β为正值。
图 6 高程对振速的放大与衰减示意图Figure 6. Amplification and attenuation of vibration velocity based on elevation3. 工程实例
露天深孔爆破炮孔直径310 mm，孔深14~17.5 m，超深2~2.5 m，填塞长度7~8 m，孔网参数：矿石a×b=(7~8) m×(6~7) m，岩石a×b=(5~9) m×(4~8) m。露天台阶高度12~15 m。
爆破振动监测工作采用TC-4850爆破测振仪，如图 7所示。布置8个测点采集各台阶坡底和坡顶质点振动速度，测点位置如图 8所示。
从表 3数据可知，测点4、6和8均出现振动速度放大现象，根据公式(2)进行数据拟合处理得：
表 3 爆破振动观测结果Table 3. Blasting vibration measurements测点 最大单孔起爆药量/kg 水平距离/m 垂直距离/m 峰值振动速度/(cm·s-1) MP1 500 14.8 0.0 38.35 MP2 44.1 30.8 3.33 MP3 86.4 43.0 1.41 MP4 90.3 54.0 1.50 MP5 132.8 63.0 0.94 MP6 140.3 74.1 1.08 MP7 183.3 90.2 0.69 MP8 190.9 103.0 0.87 v=18.76(3√Q/R)1.757 (3√Q/H)−0.945 相关系数r2=0.995 3；撒道夫斯基公式拟合相关系数为0.945 3，相关性与公式(2)相比较低，且不能直观体现地形高差对爆破振动速度的影响。
4. 结论
(1) 台阶表面质点振动速度随着距离的增加整体上呈指数衰减规律；对于单个台阶，由于高差的存在坡顶质点产生振动速度放大效应，放大效应在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生。
(2) 坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，台阶高度超过某一临界值后，放大倍数随台阶高度的增加而减小。
(3) 坡底面宽度越大，爆破振动速度衰减速率越快，相同高程处质点振动速度越小。
(4) 台阶地形爆破振动速度预测模型为v=K(3√QR)α(3√QH)β(H≠0)，模型对类似工程的爆破地震波衰减规律研究具有一定的参考价值。
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图 6 重组竹在不同应变率下的应力-应变曲线
Figure 6. Stress-strain curves of bamboo scrimber under different strain rates
图 7 重组竹准静态压缩的3个变形阶段
Figure 7. Three deformation stages of bamboo scrimber under quasi-static compression
图 8 循环加卸载的应力-应变曲线
Figure 8. Stress-strain curves of cyclic loading and unloading tests
图 9 重组竹在冲击加载下的破坏形态
Figure 9. Failure morphology of bamboo scrimber under impact loading
图 10 重组竹在不同应变率下的平台应力
Figure 10. The plateau stress of bamboo scrimber under different strain rates
图 11 重组竹在不同应变率下的动态增强因子
Figure 11. The dynamic increase factor of bamboo scrimber under different strain rates
图 12 重组竹在不同应变率下的应变比能
Figure 12. The strain energy densities of bamboo scrimber under different strain rates
表 1 重组竹在不同应变率下的动态力学参数
Table 1. Dynamic mechanical parameters of bamboo scrimber under different strain rates
编号 应变率/s−1 屈服强度/MPa 压缩破坏强度/MPa 平台应力/MPa 应变比能/（MJ·m−3） 应力平衡因子η/% 恒应变率因子κ/% QX1-10 10−4 63.19 71.68 68.35 5.72 − − 变异系数 [0] [7.05%] [7.60%] [7.44%] [7.69%] − − DX-01 335 116.69 135.03 132.08 8.73 95.91 26.10 DX-02 354 120.03 131.41 129.78 9.83 95.56 25.06 DX-03 356 122.24 134.98 134.60 9.58 97.60 30.00 平均值 348 119.65 133.81 132.15 9.38 − − 变异系数 [3.33%] [2.34%] [1.55%] [1.82%] [6.15%] − − DX-04 430 121.61 142.72 141.48 9.34 95.01 26.88 DX-05 450 129.60 135.14 134.42 11.83 95.34 29.55 DX-06 480 126.10 146.22 140.06 12.78 96.56 21.34 平均值 449 125.77 141.36 138.65 11.32 − − 变异系数 [4.53%] [2.60%] [3.27%] [2.20%] [12.82%] − − DX-07 502 136.27 143.29 141.82 14.80 95.35 26.45 DX-08 512 136.04 143.43 139.97 14.18 97.28 27.65 DX-09 542 133.05 142.95 140.40 14.88 95.55 28.86 平均值 519 135.12 143.22 140.73 14.62 − − 变异系数 [3.28%] [1.09%] [0.14%] [0.56%] [2.14%] − − DX-10 608 164.84 174.16 170.89 21.12 96.87 25.65 DX-11 642 154.72 164.12 160.20 20.46 98.55 23.53 DX-12 654 165.39 174.02 171.66 20.92 95.95 27.68 平均值 635 161.65 170.77 167.58 20.83 − − 变异系数 [3.07%] [3.03%] [2.75%] [3.12%] [1.33%] − − 
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[1] 秦莉, 于文吉. 重组竹研究现状与展望 [J]. 世界林业研究, 2009, 22(6): 55–59. DOI: 10.13348/j.cnki.sjlyyj.2009.06.007.QIN L, YU W J. Status and prospects of reconstituted bamboo lumber [J]. World Forestry Research, 2009, 22(6): 55–59. DOI: 10.13348/j.cnki.sjlyyj.2009.06.007. [2] 冼杏娟, 冼定国. 竹材的微观结构及其与力学性能的关系 [J]. 竹子研究汇刊, 1990, 9(3): 10–23.XIAN X J, XIAN D G. The relationship of microstructure and mechanical properties of bamboo [J]. Journal of Bamboo Research, 1990, 9(3): 10–23. [3] 于文吉. 我国重组竹产业发展现状与趋势分析 [J]. 木材工业, 2012, 26(1): 11–14. DOI: 10.19455/j.mcgy.2012.01.005.YU W J. Current status and future development of bamboo scrimber industry in China [J]. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2012, 26(1): 11–14. DOI: 10.19455/j.mcgy.2012.01.005. [4] 张俊珍, 任海青, 钟永, 等. 重组竹抗压与抗拉力学性能的分析 [J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2012, 36(4): 107–111. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2006.2012.04.022.ZHANG J Z, REN H Q, ZHONG Y, et al. Analysis of compressive and tensile mechanical properties of recombinant bamboo [J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2012, 36(4): 107–111. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2006.2012.04.022. [5] 李霞镇, 钟永, 任海青, 等. 毛竹基重组竹力学性能研究 [J]. 木材加工机械, 2016, 27(4): 28–32. DOI: 10.13594/j.cnki.mcjgjx.2016.04.008.LI X Z, ZHONG Y, REN H Q, et al. Study on mechanical properties of recombinant bamboo produced by moso bamboo [J]. Wood Processing Machinery, 2016, 27(4): 28–32. DOI: 10.13594/j.cnki.mcjgjx.2016.04.008. [6] 孙玲玲. 重组竹顺纹单轴应力-应变关系研究 [D]. 南京: 南京林业大学, 2013: 23−35. [7] 魏洋, 周梦倩, 袁礼得. 重组竹柱偏心受压力学性能 [J]. 复合材料学报, 2016, 33(2): 379–385. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150703.002.WEI Y, ZHOU M Q, YUAN L D. Mechanical performance of glulam bamboo columns under eccentric loading [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(2): 379–385. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150703.002. [8] WEI Y, TANG S F, JI X W, et al. Stress-strain behavior and model of bamboo scrimber under cyclic axial compression [J]. Engineering Structures, 2020, 209: 110279. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110279. [9] TAN C, LI H T, WEI D D, et al. Mechanical performance of parallel bamboo strand lumber columns under axial compression: experimental and numerical investigation [J]. Construction and Building Materials, 2020, 231: 117168. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117168. [10] LI X, ASHRAF M, LI H T, et al. An experimental investigation on parallel bamboo strand lumber specimens under quasi static and impact loading [J]. Construction and Building Materials, 2019, 228: 116724. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.116724. [11] 于子绚, 江泽慧, 王戈, 等. 重组竹的耐冲击性能 [J]. 东北林业大学学报, 2012, 40(4): 46–48. DOI: 10.13759/j.cnki.dlxb.2012.04.006.YU Z X, JIANG Z H, WANG G, et al. Impact resistance properties of bamboo scrimber [J]. Journal of Northeast Forestry University, 2012, 40(4): 46–48. DOI: 10.13759/j.cnki.dlxb.2012.04.006. [12] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 木材物理力学试验方法总则: GB/T 1928−2009 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. [13] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 木材顺纹抗压强度试验方法: GB/T 1935−2009 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. [14] 王礼立, 胡时胜, 杨黎明, 等. 材料动力学 [M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2017: 178−179. [15] 徐明利, 张若棋, 张光莹. SHPB实验中试件内早期应力平衡分析 [J]. 爆炸与冲击, 2003, 23(3): 235–240.XU M L, ZHANG R Q, ZHANG G Y. Analysis of early stage specimen stress equilibrium in SHPB experiment [J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(3): 235–240. [16] HASSAN M, WILLE K. Experimental impact analysis on ultra-high performance concrete (UHPC) for achieving stress equilibrium (SE) and constant strain rate (CSR) in split Hopkinson pressure bar (SHPB) using pulse shaping technique [J]. Construction and Building Materials, 2017, 144: 747–757. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.185. [17] CAO S, XUE G L, SONG W D, et al. Strain rate effect on dynamic mechanical properties and microstructure of cemented tailings composites [J]. Construction and Building Materials, 2020, 247: 118537. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118537. [18] XIONG B B, DEMARTINO C, XIAO Y. High-strain rate compressive behavior of CFRP confined concrete: Large diameter SHPB tests [J]. Construction and Building Materials, 2019, 201: 484–501. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.12.144. [19] WOUTS J, HAUGOU G, OUDJENE M, et al. Strain rate effects on the compressive response of wood and energy absorption capabilities - Part A: experimental investigations [J]. Composite Structures, 2016, 149: 315–328. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.03.058. [20] QIN K, YANG L M, HU S S. Mechanism of strain rate effect based on dislocation theory [J]. Chinese Physics Letters, 2009, 26(3): 036103. DOI: 10.3321/j.issn:0256-307X.2009.03.050. [21] ZHOU S C, DEMARTINO C, XIAO Y. High-strain rate compressive behavior of Douglas fir and glubam [J]. Construction and Building Materials, 2020, 258: 119466. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119466. [22] AL-ZUBAIDY H, ZHAO X L, AL-MAHAIDI R. Mechanical characterisation of the dynamic tensile properties of CFRP sheet and adhesive at medium strain rates [J]. Composite Structures, 2013, 96: 153–164. DOI: 10.1016/j.compstruct.2012.09.032. 期刊类型引用(2)
1. 盛叶，张鸣轩，张峰，谢智锐，郭任坤，郭楠. 含水率对重组竹静态和动态横纹冲击力学性能的影响. 林业工程学报. 2024(06): 20-26 . 
百度学术2. 赵仕兴，周巧玲，齐锦秋，张明，陈述伟，钟紫勤，杨姝姮. 重组竹结构的研究现状与工程应用. 建筑结构. 2023(07): 109-117 . 百度学术其他类型引用(1)
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