滑模混凝土中振动密实加速度衰减系数的研究
胡永彪,陈 蝶,赵建林
(西安公路交通大学筑路机械系,陕西西安 710064)
摘 要:振动密实加速度衰减系数的大小关系到滑模摊铺混凝土中振动加速度场的分布。应用振动波传播理论引出加速度衰减系数的概念,并对加速度衰减系数的试验结果进行了分析。给出了滑模混凝土板中振动密实加速度衰减系数的计算公式和取值表格。
关键词:混凝土振动;路面滑模铺装;振动加速度;衰减系数
中图分类号:U414.18
文献标识码:A
通过对滑模施工水泥混凝土路面钻芯的研究发现,滑模摊铺机内部振捣器的有效作用半径比原来设想的要小得多。其原因是人们在设计内部振捣器的配置数量、棒离侧模板的距离(棒侧距)、棒与棒之间的距离(棒间距)时,低估了混凝土和模板对振动波的阻尼衰减作用,以致于在实际路面施工时,采用过大的棒侧距、棒间距,侧模板处和棒间的混凝土板因得不到有效密实加速度的作用而截留多余空气,使路面板强度下降。因此,研究混凝土对振动加速度波的阻尼衰减将对正确估算混凝土中振动加速度场的强度及其分布规律具有理论意义,并将关系到混凝土振动密实质量和内部振捣器的参数设计、选择和使用及其配置。
1 加速度衰减系数的引出
实验表明,振动波在混凝土混合料中的传播与地震波在土壤中传播的性质相似,本质上都是在半连续介质中弹性波的传播。由于对有限的混凝土混合料介质,波源是无限的(理论意义上讲),所以振动波的传播均可作为表面波或平面波处理。
杰索夫根据戈里青(ББГолицын)所做的地震波在土壤中传播的基本假设,得出波阵面的振幅A衰减的一般规律[1],即
式中:r为波阵面半径;ω为圆频率;c为混凝土介质粘阻系数;C为积分常数;β为能量损耗系数。
滑模摊铺机上采用的振捣器为插入式内部振捣器,其工作时振动波基本上是以棒轴线为中心线向四周传播的表面波,因此,可以直接应用式(1)来研究它的振动波传播规律。
如图1所示,设内部振捣器的棒径为2r1,与棒
2 加速度衰减系数的试验结果讨论
将加速度衰减系数β作为因变量,测定距离X(可视为振捣棒的作用距离)以及坍落度作为自变量,对试验数据进行线性回归分析,得到各个试验号PSij的加速度衰减系数β的回归图。图2给出了其中1个试验号的典型的回归图。加速度衰减系数对坍落度的回归如图3所示。
依据各试验号回归时的相关系数和文献[3]的附录Ⅸ的相关系数临界值,认定在98%置信度下,衰减系数β和测定距离X线性相关显著;在99.9%置信度下,衰减系数β和混凝土坍落度线性相关显著。
全部试验号的衰减系数β的回归图都表明一种规律性,即衰减系数将随着测定距离X的减小而增大。由于加速度传感器埋置在靠近试验装置侧板(可以看成滑模摊铺机的侧模板)处的混凝土中,所以测定距离愈小,意味着振捣棒愈靠近侧板。由于侧板不仅吸收振动能量,而且对侧板处的振动波产生较强的阻尼作用,这种阻尼作用随着振动能量的变大而增强。另一方面,越靠近振捣棒的混凝土区域,所传递的振动能量越大。因此,当振捣棒愈靠近侧板时,振动加速度的衰减愈烈,表现在加速度衰减系数的增大上。图3表明,各种测定距离上的加速度衰减系数的平均值随坍落度的增大而减小。坍落度越大,单位体积混凝土中的用水量越多,混凝土越容易被振动液化,液化时的液体成分亦越多,加速度传播时的阻尼越小。
为了便于工程应用,将坍落度划分变化范围,并按规定的坍落度范围将同一测定距离上的衰减系数取平均值,得到不同坍落度下和不同测定距离上的衰减系数,如表1所示。通过对表1的衰减系数进行回归分析,分别得到坍落度为0~2 cm、3~5 cm和6~8 cm时加速度衰减系数β对测定距离X的3条线性回归曲线,如图4(a)、(b)和(c)所示。对应的回归代号分别为BSL0-2、BSL3-5和BSL6-8。表2给出了各回归代号所代表曲线的回归方程和相关系数。查文献[3]附录Ⅸ知,ρ0.1=0.987 669。因为表2中的相关系数 ρ >ρ0.1,所以认为在90%置信度下,衰减系数β对测定距离的回归方程效果显著。
3 加速度衰减系数计算及取值
加速度衰减系数不仅受到棒侧距和坍落度的影响,而且还受到振动频率的影响,但频率的影响与棒侧距和坍落度的影响相比之下较小[2]。因此,在推荐加速度衰减系数的估算公式时,可忽略频率的影响。
由于振捣棒和振捣棒之间没有模板或钢筋时,加速度衰减系数较小,因而在选用棒间加速度衰减系数时,考虑到滑模摊铺机上振捣棒的有效作用距离一般不大于35 cm,衰减系数就取作用距离为35 cm处有侧模板时的衰减系数值,如表3所示。根据回归代号BSL0-2、BSL3-5和BSL6-8的回归方程,给出下列衰减系数的经验公式。
3.1 侧模板处的加速度衰减系数
对于棒侧距X,振动加速度传播到侧模板处的加速度衰减系数β为下列3式:
对于坍落度为0~2 cm的混凝土混合料
β=0.394 00-0.006 43X(7)
对于坍落度为3~5 cm的混凝土混合料
β= 0.363 00 - 0.005 94X(8)
对于坍落度为6~8 cm的混凝土混合料
β= 0.260 00 - 0.003 24X(9)
以上3式中β的单位为cm-1,X的单位为cm。
3.2 棒间加速度衰减系数
当振捣棒间没有钢筋时,衰减系数按表3取值。
式(7)~(9)和表3所示的衰减系数计算公式和取值将应用到混凝土振动加速度纵横传播和分布计算公式中。按照“滑模混凝土板达到充分密实和足够强度的混凝土中最大加速度值应超过8 g”原则和混凝土板中加速度的估算值来设计、使用、评价和分析摊铺机内部振捣装置的结构参数、振动参数及其对路面板的振动密实效果。
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