混凝土動(dòng)態(tài)受壓力學(xué)特性的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析

孫吉書(shū)，竇遠(yuǎn)明，孫建誠(chéng)，李 波

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

0 引言

由于混凝土應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)在其工作過(guò)程中不但要承受靜荷載的作用，而且還不可避免的遭遇到地震、撞擊、爆炸等各種動(dòng)態(tài)荷載的作用.但由于這些荷載破壞性較大且不可預(yù)知，而且在動(dòng)態(tài)荷載作用下，不同的建筑物或建筑物不同的部位在不同的瞬時(shí)其應(yīng)變率的變化各不相同[1-2].因此，為了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)力設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)，需要正確認(rèn)識(shí)混凝土在不同應(yīng)變速率條件下的材料特性，對(duì)混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，建立較為精確的數(shù)學(xué)模型.

本文通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析，系統(tǒng)研究混凝土在不同應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度、剛度等力學(xué)特性及其規(guī)律性，同時(shí)分析動(dòng)態(tài)荷載作用下混凝土簡(jiǎn)支梁的動(dòng)力結(jié)構(gòu)性應(yīng)，以期進(jìn)一步明確混凝土材料的動(dòng)態(tài)受壓力學(xué)特性以及動(dòng)態(tài)荷載作用下的混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用美國(guó)MTS液壓伺服加載系統(tǒng)，并在加載裝置上沿試件受力方向并聯(lián)一套蝶形彈簧，使試件和蝶形彈簧在加載過(guò)程中共同受力[3-4].當(dāng)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)力時(shí)，試件承載力急劇下降，此時(shí)蝶形彈簧繼續(xù)儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能，從而保證混凝土試件穩(wěn)定破壞而非瞬間脆性破壞，進(jìn)而得到完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線.

調(diào)整試件位置，使試件與加載板幾何對(duì)中，控制壓頭靠近試件但不施加力.在試件頂端對(duì)角處安裝兩個(gè)位移傳感器（LVDT），用于測(cè)量試件全高的平均應(yīng)變；預(yù)加荷載10 kN，觀察兩對(duì)應(yīng)變片的應(yīng)變變化是否滿足要求.待試件位置調(diào)整完畢后，卸掉預(yù)加荷載，以設(shè)定的加載速率正式加載.采樣頻率依加載速率而定，加載至試件破壞后，拆除試件，記錄數(shù)據(jù)文件.

1.2 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)試件為棱柱形，尺寸為70mm×70mm×200mm.為保證混凝土均勻性，減小試驗(yàn)結(jié)果的離散度，混凝土采用小型攪拌機(jī)自行攪拌.水泥采用奎山P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為級(jí)配Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料為碎石，石子最大粒徑20mm，攪拌水為普通自來(lái)水，減水劑為高性能聚羧酸減水劑.混凝土配合比見(jiàn)表1.

表1 混凝土的配合比 kg/m3Tab.1 The gradation of concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變速率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表1中的配合比，按照標(biāo)準(zhǔn)方法成型和養(yǎng)護(hù)混凝土試件[5]，齡期28 d之后改在空氣中自然養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)時(shí)試件齡期為90 d.本文對(duì)C30、C40兩種強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行了不同應(yīng)變速率下動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同應(yīng)變速率下C30、C40混凝土的抗壓強(qiáng)度 MPaTab.2 The compressive strength of C30 and C40 concrete under differentstrain rates

從表2中數(shù)據(jù)可以看出：C30、C40混凝土的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有較為明顯的提高.以應(yīng)變率速為1×105/s時(shí)的抗壓的強(qiáng)度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，C30混凝土在各應(yīng)變速率下強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了6.4%、20.7%、21.7%；C40混凝土的強(qiáng)度分別增加了4.7%、8.8%和12.3%.由已有的結(jié)論可知，混凝土強(qiáng)度的提高主要是由于隨著應(yīng)變速率的增加，荷載作用時(shí)間越來(lái)越短，混凝土在破壞時(shí)砂漿基體內(nèi)部微裂縫來(lái)不及充分?jǐn)U展，使材料無(wú)法得到足夠的時(shí)間積累能量，只能通過(guò)提高應(yīng)力的辦法來(lái)達(dá)到提供能量的目的，從而導(dǎo)致了混凝土的強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而提高[6].

圖1為C30、C40混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增量系數(shù)與應(yīng)變速率之間的關(guān)系圖.從圖1中可以看出混凝土的動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而提高，其增量系數(shù)與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)近似成直線關(guān)系.C30、C40混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間關(guān)系如式(1)和式(2)所示：

2.2 應(yīng)變速率對(duì)混凝土彈性模量的影響

混凝土材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的初始切線模量在試驗(yàn)中測(cè)試的難度較大，并且由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在離散性，很難精確測(cè)量.因此本文取50%峰值應(yīng)力處的割線模量作為彈性模量進(jìn)行分析[7].表3列出了不同應(yīng)變速率下C30、C40混凝土的彈性模量.

表3 C30、C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的彈性模量 104 MPaTab.3 Elasticmodulusof C30 and C40 concrete under differentstrain rates

從表3中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種強(qiáng)度混凝土的彈性模量隨應(yīng)變速率的增加均有增長(zhǎng)的趨勢(shì).與應(yīng)變速率為1×105/s時(shí)混凝土的彈性模量相比，C30混凝土在應(yīng)變速率為1×104/s、1×103/s、1×102/s時(shí)的彈性模量分別增長(zhǎng)了10.7%、11.6%、14.5%；C40混凝土的彈性模量分別增長(zhǎng)了4.9%、7.9%、11.3%.

2.3 應(yīng)變速率對(duì)混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線可以全面宏觀的反映混凝土的各種力學(xué)特性，混凝土的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量等都可以在曲線上得到很好的反映.由于混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)剛度、加載控制過(guò)程以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能都有很高的要求，因此研究者們[8-9]所得出的結(jié)論都存在一定的局限性.本次試驗(yàn)對(duì) C30、C40混凝土共30塊試件進(jìn)行了4種不同應(yīng)變速率下的抗壓試驗(yàn)，其中24塊試件的結(jié)果較為理想.兩種強(qiáng)度混凝土在不同應(yīng)變速率下的實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線與擬合曲線如圖2、圖3所示.

從圖2和圖3可知，雖然應(yīng)變速率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量等力學(xué)性能具有顯著的影響，但是同一強(qiáng)度混凝土在整個(gè)壓縮過(guò)程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線在除去少量的離散點(diǎn)后形狀相似，并且與靜態(tài)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似，與已有的研究結(jié)論相符[10-11].

同時(shí)，從實(shí)測(cè)曲線可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土的峰值應(yīng)變也有所減小，并且在各應(yīng)變速率下混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)明顯，表明此等級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果具有普遍性.

3 混凝土的動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為了應(yīng)用進(jìn)一步明確應(yīng)變速率對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，使混凝土動(dòng)態(tài)受壓試驗(yàn)結(jié)果在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中得到應(yīng)用，本文對(duì)一簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了動(dòng)力反應(yīng)分析.梁的結(jié)構(gòu)尺寸及有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示（C40混凝土）.

圖2 實(shí)測(cè)混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Measured compressive strain-stress curveof concrete

圖3 擬合的混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Fitting compressive strain-stress curveof concrete

圖4 梁的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Sketchmap of structrueandmeshesof thebeam

表4 梁的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Dynam ic response calculating resultsof the beam

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用時(shí)的情況，在動(dòng)態(tài)荷載作用下，梁的最大位移增大了10.6%，主壓應(yīng)力增大了18.4%，主拉應(yīng)力減小了31.2%.可見(jiàn)，應(yīng)變速率對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)具有顯著的影響，需要在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分重視荷載動(dòng)力效應(yīng)的分析，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全.

4 結(jié)論

1）C30、C40混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加呈明顯增加的趨勢(shì).若以應(yīng)變速率為1×105/s時(shí)的強(qiáng)度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，C30混凝土在1×104/s、1×103/s、1×102/s 3種應(yīng)變速率下強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了6.4%、20.7%、21.7%；C40混凝土在各應(yīng)變速率下強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了4.7%、8.8%、12.3%.

2）混凝土的受壓彈性模量也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，若與1×105/s時(shí)混凝土的彈性模量相比，C30混凝土在1×104/s、1×103/s、1×102/s 3種應(yīng)變速率下彈性模量分別增加了10.7%、11.6%、14.5%；C40混凝土在各應(yīng)變速率下的彈性模量分別增長(zhǎng)了了4.9%、7.9%、11.3%.

3）隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線也有一定的變化，但是兩種強(qiáng)度的混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線與靜態(tài)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有很好的相似性，這些曲線很好的反映了混凝土的受壓特性，并且有明顯的規(guī)律性.

4）對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁的數(shù)值分析表明，應(yīng)變速率對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有顯著的影響，需要在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分重視荷載動(dòng)力效應(yīng)的分析，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全.

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