應(yīng)變率下混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系試驗研究

徐傳枝 王旭光 馬 卉

0 引言

混凝土是一種應(yīng)用極其廣泛的建筑材料。目前對混凝土材料的性能研究大多數(shù)集中在靜態(tài)性能上。但是一些混凝土結(jié)構(gòu)在其服役期內(nèi)可能遭受爆炸或沖擊等偶然荷載的作用，這些構(gòu)筑物包括核電站外殼、化工廠的控制室、地下防護結(jié)構(gòu)以及橋梁的橋墩和護欄等。由于混凝土材料具有較好的抗爆抗沖擊性能，通常采用混凝土結(jié)構(gòu)建造這些構(gòu)筑物，因此混凝土動態(tài)特性的研究就受到很多工程領(lǐng)域的廣泛重視。

雖然近年來國內(nèi)外關(guān)于大壩的抗震研究已經(jīng)取得了比較大的進(jìn)展，但是當(dāng)前的大壩抗震技術(shù)還難以可靠地估計大壩在強震時的特性及其震害?；炷磷鳛榇髩蔚闹匾M成材料，其動態(tài)性能的研究成為當(dāng)前一個重要的任務(wù)。所以在對混凝土的動態(tài)力學(xué)的性能理論和試驗研究，合理的設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)的意義尤為重要。

1 試驗概況

試件模型尺寸、數(shù)量、試驗儀器和加載速率。在試驗所需的試件制配過程中，在每個等級下制作了100 mm×100 mm×100 mm的伴隨試塊90塊，分別測試其28 d，60 d，90 d，180 d和試驗當(dāng)天混凝土強度，以便更好的估測試件的強度。在試驗儀器的選擇方面，對于伴隨試塊的強度要求，壓力試驗機選擇的是北京海智科技中心的電液式壓力試驗機YAW-3000，最大試驗壓力為0 kN～3000 kN，測量范圍為20%，50%和80%，試驗壓力精確度為±1%。試驗設(shè)備的加載范圍、試驗壓力的精確度能夠很好的滿足試驗要求。

考慮到試件在壓力試驗機上試驗?zāi)軌虿杉较陆刀?，因此選擇試件的尺寸為70 mm×70 mm×210 mm棱柱體，各等級的混凝土棱柱數(shù)量如表1所示。

表1 各級試件數(shù)量

2 試驗結(jié)果

2.1 試件的破壞形態(tài)

混凝土在動態(tài)荷載作用下，其試件的破壞形式主要有縱向劈裂破壞和斜截面剪切破壞，經(jīng)過不同速率下的混凝土單軸受壓試驗的過程發(fā)現(xiàn)，不同混凝土強度試件的破壞過程大致相同，而且隨著應(yīng)變率的增加，粗骨料被壓壞的情況越來越多。并且在觀察試件裂縫的時候發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變速率的增大，混凝土裂縫的破壞裂縫比較接近一條直線。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

在加載速率的測試中，共有4個不同的加載速率，每個速率下需要5個試件進(jìn)行試驗，最后取得試驗數(shù)據(jù)離散性較小的3個作為試驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。下面就將C45等級的試驗的主要數(shù)據(jù)列于表2。

表2 試驗中的主要數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)處理

該試驗數(shù)據(jù)處理過程中 C40，C45，C50，C55，C60的混凝土棱柱的極限強度值用試件在10－5m/s速率加載下的值。對比值都是用不同的加載速率與10－5m/s速率加載下的值對比得出的。此計算中的C40，C45，C50，C55，C60在不同速率下的強度值都取了3次離散性較小的平均值。表3～表5分別顯示了抗壓強度、峰值應(yīng)變與彈性模量提高百分比。

表3 抗壓強度提高百分比 %

3 結(jié)語

1)在觀察試件裂縫的時候發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變速率的增大，混凝土裂縫的破壞裂縫比較接近一條直線，這與擬靜止下加載破壞的裂縫情況很相似，說明變速率加載對裂縫走向沒有影響。

表4 峰值應(yīng)變提高百分比 %

表5 彈性模量提高百分比 %

2)通過試驗與數(shù)據(jù)處理可知，在變速率加載下混凝土的抗壓強度確實會提高，而且會隨著速率的加快提高的值也會變多，混凝土標(biāo)號等級越高越明顯。

3)變速率加載下，混凝土的軸心受壓峰值應(yīng)變有的會提高，有的會降低，說明這樣的加載方式對于峰值應(yīng)變沒有確定的想象方向。

4)隨著應(yīng)變速率的增加，五種混凝土的軸心受壓彈性模量也呈現(xiàn)出增長趨勢，但是相同的加載速率下，彈性模量不會因為混凝土標(biāo)號的提高而提高。

[1]尚仁杰.混凝土動態(tài)本構(gòu)行為研究[D].大連:大連理工大學(xué)，1994.

[2]呂培印.混凝土單軸、雙軸動態(tài)強度和變形試驗研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2001.

[3]肖詩云.混凝土率型本構(gòu)模型及其在拱壩動力分析中的應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué)，2002.

[4]曹增延，祁建華.混凝土動力特性的初步研究[J].水電站設(shè)計，1994，10(4):81-85.

[5]侯順載.高拱壩全級配混凝土動態(tài)試驗研究[J].水力發(fā)電，2002(1):51-54.

[6]董毓利，謝和平，趙 鵬.不同應(yīng)變率下混凝土受壓全過程的實驗研究及其本構(gòu)關(guān)系[J].水利學(xué)報，1997(7):72-77.

[7]鄧宗才.單軸狀態(tài)下混凝土的靜力、動力損傷本構(gòu)模型[J].山東建材學(xué)院學(xué)報，1999，13(4):334-337.

[8]溫世游，李夕兵.混凝土材料動力特性試驗[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，31(2):113-116.

[9]嚴(yán)少華，段吉祥.高強混凝土SHPB試驗研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2000，1(3):6-9.