混凝土歷經(jīng)荷載歷史的動彎拉特性試驗研究

任曉軍，孫吉書，竇遠明

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240）

混凝土材料在房屋建筑工程、道路與橋梁工程、河堤大壩工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用．自Abrams于1917年發(fā)現(xiàn)了混凝土速率敏感性，國內(nèi)外學(xué)者便開始對混凝土的動態(tài)特性進行大量的試驗研究．相對于混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能而言，混凝土的動態(tài)力學(xué)性能更為復(fù)雜以及因為在工作過程中混凝土要受到地震、風(fēng)荷載、爆炸荷載等荷載作用，致使其更為接近實際受力情況，故混凝土的動態(tài)力學(xué)性能對結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用．

盡管近年來對混凝土動態(tài)性能的研究頗多，但動態(tài)力學(xué)性能的研究成果仍然存在很大的提升空間，尤其是對混凝土動態(tài)抗彎拉力學(xué)性能相關(guān)試驗的研究．混凝土的動彎拉特性對高拱壩體等結(jié)構(gòu)具有重要的實用價值，不少學(xué)者在該方面也進行了大量的試驗研究并取得了一些成果[1-3]，周繼凱，杜修力[4-6]等人均考慮了不同初始靜載和加載歷史下混凝土的動彎拉力學(xué)特性，得出混凝土動彎拉強度隨著初始靜載的提高而增大．因此，將混凝土動態(tài)抗彎拉力學(xué)性能在應(yīng)荷載歷史方面的研究置在了一個很重要的位置．

本文采用標準的試件制作方法和適當(dāng)?shù)募虞d工藝，利用MTS加載裝置和先進的數(shù)據(jù)采集儀，考慮不同的加載歷史，當(dāng)應(yīng)變速率分別為106s1、105s1、104s1時，對強度為C40的混凝土試件的抗彎拉強度、彈性模量、峰值應(yīng)變等力學(xué)特性和變形性能進行了研究．

1 實驗過程

1.1 實驗設(shè)備

試驗進行的地點是河北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室，試驗設(shè)備主要包括加載設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分．

加載設(shè)備為液壓伺服加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：液壓源、電液伺服加載器和控制裝置（圖1）．加載信息由控制裝置發(fā)出，經(jīng)計算機調(diào)整，液壓伺服系統(tǒng)接受指令后進而對加載頭進行控制，通過加載頭的上下運轉(zhuǎn)來調(diào)整作用在混凝土試塊上的初始荷載和加載速率，加載的時間和加載頭豎向位移都可以通過計算機來控制．

試驗中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為 DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，儀器為 DH5922動態(tài)信號采集儀，動態(tài)測試分析系統(tǒng)的主要作用為信號采集與處理，可以滿足各種信號處理的需要，如圖2所示．

1.2 試件制備

根據(jù)水泥混凝土試驗規(guī)程的規(guī)定采用150 mm×150 mm×550 mm的長方體標準試件．為保證試件制作過程中混凝土的均勻性，減小試件不均勻性對試驗結(jié)果的影響，本試驗用的試件均在現(xiàn)場拌制．水泥采用奎山牌42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為碎石，石子粒徑為5～20mm，骨料占35%，細骨料為Ⅱ區(qū)中砂，骨料所占比例為65%，減水劑采用高性能聚羧酸，自來水拌作為拌合用水．配合比見表1（表1中單位kg/m3）．

1.3 試驗方法

本試驗主要研究C40混凝土在106s1、105s1、104s13組應(yīng)變速率下考慮加載歷史的動態(tài)試驗．并且以106s1為擬準靜態(tài)應(yīng)變速率，以此作為對比標準的依據(jù)．具體加載方法為：在測定的應(yīng)變速率下將混凝土試塊加載到極限抗彎拉強度的30%后，卸載到0，再加載到極限抗彎拉強度的60%后，卸載到0，再重新以該應(yīng)變速率加載直至破壞，試驗結(jié)束．最后分析試驗數(shù)據(jù)，與相同條件下未經(jīng)歷荷載歷史的試塊進行對比．在每組試驗中混凝土試塊數(shù)量為3塊，采取有效值作為抗彎拉強度．

試驗采用三分點加載混凝土試塊，頂面和地面分別黏貼一個橫向的應(yīng)變片和一個豎向的應(yīng)變片，如圖3所示，橫向的應(yīng)變片的規(guī)格為5 mm×50 mm，縱向的應(yīng)變片的規(guī)格為5 mm×100 mm．放置底座和壓頭是很關(guān)鍵的問題，因為試塊上面需要放置壓力傳感器，所以試塊上面應(yīng)放置一個壓頭，在三分點加載中，底座的安放位置左右兩邊距離試塊邊緣的距離各為50 mm，壓頭的中心線長度為150 mm，壓頭應(yīng)該安放在試塊的中間三分之一處，如圖4所示，圖中 大小為150 mm．

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 混凝土極限彎拉強度

本文通過液壓伺服試驗機對混凝土試件進行動態(tài)彎拉試驗，采用的應(yīng)變速率分為106s1、105s1和104s1，其中加載速率為180N/s時，對應(yīng)的應(yīng)變速率為110-6s-1．混凝土的動態(tài)抗彎拉強度不僅會受到應(yīng)變速率的影響，還會受到荷載歷史的影響，有時二者會同時發(fā)生和作用．

圖1 液壓伺服加載系統(tǒng)圖Fig.1 Hydraulic servo loading system

圖2 DH5922動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)Fig.2 DH5922 dynamic signal acquisition and analysissystem

表1 混凝土-配合比 kg/m3Tab.1 The mix composition of concrete

圖3 應(yīng)變片的布置Fig.3 Thearrangement of strain gauge

表2數(shù)據(jù)為經(jīng)歷荷載之后的混凝土動態(tài)抗彎拉強度和直接進行加載沒有經(jīng)歷荷載歷史的混凝土試塊的動態(tài)抗彎拉強度值，單位MPa．

隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土動態(tài)抗彎拉強度增加．經(jīng)歷荷載歷史后，混凝土動態(tài)抗彎拉強度提高的主要原因是：從消耗能量的角度來講，混凝土的破壞主要是因為裂縫的存在和發(fā)展，從斷裂力學(xué)知識的角度來看，裂縫的發(fā)生所需要的外界的能量遠大于裂縫進一步發(fā)展所需要的能量，當(dāng)試塊經(jīng)過荷載歷史以后，裂紋形成的數(shù)量隨著初始荷載的增加而不斷的增加，但超過一定的限值增加的程度也將不會明顯，由于裂紋初態(tài)的形成，這樣再進行加載，所需要的外界力將提高，在混凝土試塊上體現(xiàn)出的是抗彎拉強度極限值的增加．

通過數(shù)據(jù)處理與擬合得到經(jīng)歷荷載歷史的C40混凝土動態(tài)抗彎拉強度和應(yīng)變速率的線性關(guān)系為式 (1)所示．

2.2 荷載歷史對峰值應(yīng)變的影響

應(yīng)變是混凝土變性特性中的重要組成因素，峰值應(yīng)變即為混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線上，最大應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變值．所以研究混凝土的峰值應(yīng)變有利于研究荷載歷史對混凝土變性特性的影響，先前已經(jīng)有應(yīng)變速率對混凝土應(yīng)變的影響，但是研究荷載歷史下，應(yīng)變速率對混凝土的影響的試驗較少，這樣就提高了研究的意義和價值．經(jīng)歷初始荷載為混凝土的峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的變化的具體情況見表3所示．

混凝土的峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加，而不斷的減小．減小的原因為混凝土破壞的時間逐漸減小，縱向應(yīng)變發(fā)展的成熟度也逐漸減弱，導(dǎo)致應(yīng)變峰值處的數(shù)值減?。欢?jīng)歷荷載歷史后，混凝土的峰值應(yīng)變卻有增加的趨勢，因為破壞時間所需要的時間越長或者加載試件越充分，可以使試件的變形得到進一步的發(fā)展，表現(xiàn)的結(jié)果為峰值應(yīng)變變大，這樣就得到的數(shù)值就會大于直接加載所得到的應(yīng)變值，因為后者對試件造成破壞時的時間大大小于前者所消耗的時間．

通過數(shù)據(jù)處理與擬合，得到經(jīng)歷荷載歷史的 C40混凝土動態(tài)抗彎拉峰值應(yīng)變和應(yīng)變速率的線性關(guān)系為式 (2)所示．

2.3 荷載歷史對彈性模量的影響

一般來講，在混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段，從開始加載到混凝土極限強度的60%以前，混凝土的應(yīng)力 與應(yīng)變 呈現(xiàn)很好的比例關(guān)系，此階段處于彈性階段．微小裂縫出現(xiàn)但可以忽略不計．根據(jù)試驗得出混凝土在達到50%峰值應(yīng)力以前，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近線性．本文取到達50%峰值應(yīng)力處的割線斜率為混凝土的初始彈性模量，荷載歷史對混凝土彈性模量的影響具體情況如表4所示．

圖4 試驗裝置Fig.4 Test apparatus

表2 經(jīng)歷荷載歷史后混凝土的抗彎拉強度Tab.2 The flexural strength of the concrete in the experience of loading history

表3 經(jīng)歷荷載歷史后混凝土的峰值應(yīng)變Tab.3 The peak strain of concrete in the experience of loading history

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土的彈性模量成增加的趨勢．對于直接加載方式中，混凝土彈性模量相對于1×106s1來說增加幅度分別為：2.6%、4.9%、12.5%．在經(jīng)歷荷載歷史后，混凝土的彈性模量相對于1×106s1來說增加幅度為：2.9%、7.0%、15.4%．根據(jù)數(shù)據(jù)的增長趨勢，發(fā)現(xiàn)彈性模量比（ /）與應(yīng)變速率的對數(shù)值的關(guān)系接近線性，經(jīng)過擬合，得到經(jīng)歷歷史荷載后，混凝土動態(tài)彈性模量與準靜態(tài)彈性模量的比值和應(yīng)變速率對數(shù)的關(guān)系式為式 (3)所示．

2.4 荷載歷史對泊松比的影響

在本試驗中經(jīng)過計算得到的經(jīng)歷荷載歷史后，混凝土的泊松比在不同應(yīng)變速率條件下的結(jié)果，如表5所示．從表中的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)變速率與荷載歷史對混凝土泊松比的影響不是很大，沒有什么明顯的規(guī)律性變化．混凝土受動態(tài)彎拉時，其泊松比比較離散的分布在0.17～0.23之間，一般情況下，混凝土的泊松比采用0.2．

3 結(jié)論

1）經(jīng)過荷載歷史后，混凝土的動態(tài)抗彎拉強度較相同條件下直接加載破壞得到的抗彎拉強度而言增加．

2）荷載歷史影響混凝土抗彎拉強度的原因主要是初始裂紋的形成和發(fā)展，造成耗能的增加．應(yīng)變速率使混凝土抗彎拉強度增加的原因是粗骨料破壞數(shù)量的增加．

3）隨著應(yīng)變速率的增加，峰值應(yīng)變逐漸減小，主要是因為破壞時間的急劇縮短．經(jīng)歷荷載歷史后，峰值應(yīng)變得到增加，較直接加載而言，數(shù)值變大．

4）混凝土動態(tài)抗彎拉彈性模量經(jīng)過荷載歷史后呈增長趨勢．

5）混凝土的泊松比受荷載歷史和應(yīng)變速率的影響不大，可以采用0.2．

表4 經(jīng)歷荷載歷史后混凝土的彈性模量 103 MPaTab.4 The modulus of elasticity of theconcrete in the experience of loading history

表5 經(jīng)歷荷載歷史后混凝土的泊松比Tab.5 The poisson's ratio of the concrete in the experience of loading history

[1]中國水利水電科學(xué)研究院，河海大學(xué)．全級配大壩混凝土動態(tài)性能研究報告 [R]．2004．

[2]周繼凱，吳勝興，沈德建，等．小灣拱壩三級配混凝土動彎拉力學(xué)特性試驗研究 [J]．水力學(xué)報，2009，40（19）：1108-1114．

[3]侯順載，李金玉，沈德建，等．高拱壩全級配混凝土動態(tài)實驗研究 [J]．水力發(fā)電，2002（1）：51-53．

[4]周繼凱，吳勝興，沈德建，等．小灣拱壩三級配混凝土動彎拉力學(xué)特性試驗研究 [J]．水力學(xué)報，2009，40（19）：1108-1114．

[5]杜修力，田瑞俊，彭一江．預(yù)靜載對全級配混凝土梁動彎拉強度的影響 [J]．地震工程與工程震動，2009，29（2）：98-103．

[6]馬懷發(fā)，陳厚群，黎保琨．預(yù)靜載作用下混凝土梁的動彎拉強度 [J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，3（3）：168-174．