不同初始損傷混凝土動態(tài)軸向拉伸試驗研究

范向前，胡少偉,，陸　俊，陳啟勇

(1.南京水利科學研究院，南京　210024；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京　210098；3.河海大學 力學與材料學院，南京　210098)

?

不同初始損傷混凝土動態(tài)軸向拉伸試驗研究

范向前1,2，胡少偉1,2,3，陸俊1,2，陳啟勇3

(1.南京水利科學研究院，南京210024；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098；3.河海大學 力學與材料學院，南京210098)

利用MTS-NEW810動態(tài)試驗機，通過對30根混凝土棱柱體試件施加應力幅值為1 kN到5 kN、頻率為5 Hz、應變速率為10-4/s的5組不同循環(huán)荷載，研究不同初始損傷對混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸特性的影響。研究結果表明，遭受初始損傷程度越嚴重，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞斷面越整齊，且破壞斷面粗骨料被拉斷數(shù)目越少；隨著初始損傷程度的增加，混凝土棱柱體試件逐漸產(chǎn)生有不可恢復變形，隨著損傷程度的增加，不可恢復變形的增幅明顯增大；初始損傷程度對混凝土棱柱體試件動態(tài)拉伸應力應變關系曲線上升段影響較小；混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度和峰值應變均受初始損傷程度影響不大。

混凝土；循環(huán)荷載；初始損傷；軸向拉伸；動態(tài)試驗

混凝土結構在其工作過程中，除了承受靜荷載的作用外，還要承受動荷載的作用。例如地震荷載作用、動水壓力、海浪沖擊、駁船撞擊、車輛碰撞等，均會使混凝土以高于靜態(tài)許多量級的應變速率變形，且研究表明混凝土動態(tài)力學性能與靜態(tài)力學性能之間有明顯差異[1-2]，由于這些荷載的破壞性比較大，往往成為結構設計過程中的控制因素。因此，分析混凝土結構在動荷載作用下的力學響應成為一項十分重要的工作。

相關學者，針對混凝土材料在不同條件下的動態(tài)力學性能，已經(jīng)開展比較多的研究工作。尚仁杰等[3-4]對循環(huán)拉伸荷載作用下混凝土的力學行為進行了研究，提出了描述在加卸載過程中的應力-應變曲線方程；聶良學等[5]研究了不同溫度及加載速率下混凝土沖擊變形韌性，研究指出同一加載速率下溫度升高使得混凝土峰值應變及流動應變增大、沖擊韌性降低。閆東明等[6-8]對混凝土在循環(huán)壓縮荷載作用下的強度和變形特性進行了研究；YANTKELEVSKY等[9-10]進而研究了在拉壓循環(huán)荷載作用下的混凝土的動態(tài)力學行為；BUYUKOZTURK等[11]研究了雙軸循環(huán)荷載作用下混凝土的特性；LI等[12-13]對三軸循環(huán)荷載作用下混凝土的力學性能進行了探討；李敏等[14]通過試驗與數(shù)值研究了地震作用范圍內(nèi)加載速率對鋼筋混凝土梁影響，建立了鋼筋混凝土梁計算模型，考慮鋼筋、混凝土率敏感性，對梁試件在不同工況下動態(tài)性能進行了數(shù)值模擬；MANDER等[15]對不同配筋類型的鋼筋混凝土試件進行單調(diào)加載和循環(huán)加載，并初步考慮了應變速率的影響。在實際工作中，除上述混凝土結構的荷載作用方式外，多數(shù)為遭受不同初始損傷之后的動態(tài)破壞現(xiàn)象。因此，在充分考慮混凝土結構實際荷載響應特點的基礎上，研究混凝土的力學性能具有重要工程意義。

抗拉強度對于混凝土的抗裂性能起著重要作用。對于大壩等重要混凝土建筑物，混凝土大壩主要表現(xiàn)為受拉出現(xiàn)裂縫，發(fā)生應力重分布，使大壩的承載能力降低[16]。到目前為止，尚沒有發(fā)現(xiàn)有考慮動態(tài)循環(huán)損傷之后，混凝土動態(tài)軸向拉伸力學性能的文獻，有必要對其進行相關研究。

應變率對混凝土特性的影響雖然在某些方面已經(jīng)達成了一定程度的共識[17]，但是可以利用的試驗數(shù)據(jù)依然有限，并且由于試驗方法、荷載加載方式、試驗原理、試驗設備的不同以及混凝土試件的離散性，導致試驗結果相差較大，混凝土動力特性研究的滯后已成為公認的結構動力分析的“瓶頸”[18]。為此，本文通過初始損傷加載，旨在研究遭受不同初始損傷后，混凝土動態(tài)軸向拉伸力學性能，這對工程實踐將有較重要的實際意義，并可為進一步了解混凝土動態(tài)軸向拉伸特性的產(chǎn)生機理提供必要的試驗依據(jù)，進一步指導實際工程。

1　試驗設計

試驗設計5組25根相同棱柱體混凝土試件，混凝土試件初始設計強度等級為60 MPa，由規(guī)格為P.Ⅱ 52.5的水泥、粉煤灰、中砂、碎石、水及外加劑JM-8拌制而成，采用100 mm×100 mm×510 mm的模具一次性澆筑完成，為了保證混凝土試件在軸向拉伸過程中荷載值不偏離試件的中心軸，試件澆筑之前，在每個鋼模板兩端分別預先埋置一根直徑為20 mm的鋼筋，并將其與混凝土澆筑在一起，24 h脫模后，在實驗室內(nèi)蓋上麻布定期灑水養(yǎng)護至28天。所有試驗均在南京水利科學研究院MTS-810NEW液壓伺服試驗機上完成。

采用試驗室特制的轉動連接件將混凝土試件與MTS試驗機連接一起，實現(xiàn)試驗過程中的軸向拉伸。以試件中心位置為對稱軸，放置一臺標距為250 mm，測量范圍為+2.5 mm～-2.5 mm的大型夾式引伸計[19]，將夾式引伸計接入MTS試驗機采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)荷載與應變的同步采集，試驗裝置如圖1所示。

2　試驗方案

考慮到地震荷載所對應的應變速率為10-3/s ～10-2/s，本次試驗具體加載方案如圖2所示。

首先采用擬靜態(tài)應變速率1×10-4/s將試件加載到5 kN，荷載在5 kN處穩(wěn)定15 s后，通過應力幅值(1 kN～5 kN)、頻率(5 Hz)的循環(huán)荷載現(xiàn)實混凝土遭受不同初始損傷，本次試驗設計循環(huán)荷載次數(shù)包括1 000 次、2 000 次、5 000 次、10 000 次和20 000 次共計5種情況，經(jīng)過循環(huán)加載之后，以地震荷載對應的動態(tài)應變速率1×10-3/s，對混凝土棱柱體試件進行動態(tài)軸向拉伸至試件斷裂破壞，從而研究不同初始損傷對混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸的影響。

圖1　試驗裝置圖Fig.1　The experimental set-up

圖2　不同初始損傷動態(tài)軸向拉伸試驗加載方案Fig.2　Thedynamic axial tensile test programs on different initial damage of concrete

鑒于動態(tài)試驗過程難免存在有一定誤差，為更加真實地反映試驗結果，不同初始損傷對應混凝土軸向拉伸試件數(shù)不少于5個，剔除偏離均值較大(±15%以外)的試驗結果，且滿足有效試驗數(shù)據(jù)不少于3個。除試驗結果為評判試驗成功與否的標準外，試件最終斷開位置也是評判試驗成功的一個重要標準，斷開位置偏離試件中點10 cm以上的試件，即便試驗結果較好，數(shù)據(jù)處理過程中，仍然將其剔除。

3　試驗結果與分析

3.1試驗現(xiàn)象

如圖3所示，由不同初始損傷混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞試驗照片可知，經(jīng)過相同應力幅值、相同頻率，不同初始損傷后，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞試驗現(xiàn)象表現(xiàn)出一定差異。

初始損傷程度的不同，對混凝土棱柱體試件破壞斷面影響不盡相同，具體表現(xiàn)為：損傷程度越嚴重，即初始循環(huán)次數(shù)越多，混凝土破壞斷面越整齊，破壞斷面處粗骨料數(shù)目相對越少。

初始循環(huán)次數(shù)較少時，混凝土遭受初始損傷程度相對較輕，當采用動態(tài)荷載進行軸向拉伸破壞時，試件破壞斷面砂漿與骨料結合部面的微裂紋來不及充分擴展，斷裂面通過粗骨料而發(fā)生破壞；當初始循環(huán)次數(shù)較多時，混凝土遭受初始損傷程度相對加重，混凝土斷裂破壞面形成了一個相對薄弱的部位，此時，采用動態(tài)荷載進行軸向拉伸破壞試驗時，微裂紋相互貫通并發(fā)展至整個斷面，破壞斷面被拉斷的粗骨料數(shù)明顯減小。

圖3　不同初始損傷混凝土軸向拉伸試件破壞照片F(xiàn)ig.3　Theaxial tensile specimen damage photos on different initial damage of concrete

3.2應力應變關系曲線

不同初始損傷混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸典型應力應變關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著初始循環(huán)荷載次數(shù)的增加，盡管荷載值處在1 kN～5 kN之間，而沒有增加，但是混凝土棱柱體試件拉伸應變卻不回到零點，且距離零點越來越遠，說明在循環(huán)荷載反復作用過程中，棱柱體試件中的微裂縫有所發(fā)展，導致不可恢復變形的發(fā)生。并且，隨著初始荷載循環(huán)次數(shù)的增加，不可恢復變形的幅值也逐步增加，因此，在混凝土結構設計中，初始損傷產(chǎn)生的永久變形對混凝土材料地震響應的影響應引起足夠重視。

圖4　循環(huán)荷載后混凝土軸向拉伸試件應力應變曲線Fig.4　The axial tensile stress-strain curve of concrete after cyclic load

經(jīng)過初始循環(huán)荷載，混凝土進入動態(tài)軸向拉伸破壞階段后，棱柱體試件典型應力應變關系上升段如圖4所示曲線部分。

對比動態(tài)軸向直接拉伸試件應力應變關系曲線[19]，經(jīng)過初始損傷之后的混凝土動態(tài)拉伸，其棱柱體試件應力應變關系曲線上升段變化規(guī)律基本一致。即，應力應變關系曲線經(jīng)過光滑的直線段之后，應力增加相對緩慢，而應變迅速增加，由于混凝土材料的準脆性，達到最大應力值之后，試件被迅速拉斷破壞，混凝土棱柱體試件動態(tài)破壞應力應變曲線的下降段難以采集。

3.3軸向拉伸強度

不同初始損傷混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度曲線如圖5所示，經(jīng)過不同初始循環(huán)次數(shù)之后，即遭受不同初始損傷后，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞強度值變化不大。

圖5　不同初始損傷混凝土軸向拉伸強度曲線Fig.5　Theaxial tensile strength curve on different initial damage of concrete

對圖5進行分析發(fā)現(xiàn)，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞強度值在3.4 MPa和4.0 MPa之間，而本文試驗設計循環(huán)應力幅值為[0.1 MPa，0.5 MPa]，相對于混凝土試件動態(tài)破壞強度值，循環(huán)荷載最大值仍小于試件破壞強度的15%，另外，本文循環(huán)次數(shù)為[1 000 次，20 000 次]，因此，無論是循環(huán)荷載變化范圍，還是循環(huán)次數(shù)，相對于棱柱體試件破壞強度均較小，即本文所設計初始損傷程度對棱柱體試件影響較小，從而，試驗設計條件下，初始損傷對混凝土棱柱體試件動態(tài)破壞強度值影響較小。鑒于本文試驗結果，后續(xù)試驗中，應充分考慮混凝土試件動態(tài)破壞強度值，并適當增加循環(huán)次數(shù)和循環(huán)應力幅值，進一步研究初始損傷對混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度的影響。

3.4峰值應變

不同初始損傷與混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸最大強度值對應應變的關系曲線如圖6所示。

圖6　不同初始損傷混凝土軸向拉伸峰值應變曲線Fig.6　Theaxial tensile peak strain curve on different initial damage of concrete

鑒于本文試驗設計條件，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度受初始損傷影響較小，因此，軸向拉伸強度峰值所對應的應變值(峰值應變)受初始損傷程度影響也較小。盡管圖6中，混凝土峰值應變與初始循環(huán)次數(shù)關系曲線有一定的波動，但是，整體變化不大，且沒有明顯規(guī)律，進一步說明，本文設計初始損傷程度對混凝土棱柱體軸向拉伸破壞試驗結果影響不大。

4　結　論

經(jīng)過應力幅值為1 kN到5 kN、頻率為5 Hz，次數(shù)為1 000 次、2 000 次、5 000 次、10 000 次和20 000 次的循環(huán)荷載，以動態(tài)應變速率1×10-3/s加載至混凝土棱柱體試件破壞，可以得到以下結論：

(1)初始循環(huán)荷載次數(shù)越多，即初始損傷程度越嚴重，混凝土棱柱體動態(tài)破壞斷面越整齊，且破壞斷面粗骨料被拉斷數(shù)目越少。

(2)隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，混凝土棱柱體試件中微裂縫有所發(fā)展，并產(chǎn)生有不可恢復變形，隨著循環(huán)次數(shù)的增加使得不可恢復變形的增幅明顯增大。

(3)初始損傷程度對混凝土棱柱體試件動態(tài)拉伸應力應變關系曲線上升段影響較小。

(4)本文試驗設計初始損傷程度相對較小，試驗結果表明初始損傷對混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度值和峰值應變均影響不大。后續(xù)試驗中，初始損傷程度的設計應充分考慮混凝土試件動態(tài)拉伸強度值。

[1]王林,胡秀章,黃焱龍,等.鋼纖維混凝土動態(tài)抗拉強度的實驗研究[J].振動與沖擊,2011,30(10):50-53,8.

WANG Lin,HU Xiuzhang,HUANG Yanlong,et al.Dyanmic tensile strength experimental study of steel fiber reinforced concrete[J].Journal of Vibration and Shock,2011,30(10):50-53.

[2]金瀏,杜修力.加載速率及其突變對混凝土壓縮破壞影響的數(shù)值研究[J].振動與沖擊,2014,33(19):187-193.

JIN Liu,DU Xiuli.Effects of loading rate and its sudden change on concrete compressive failure[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(19):187-193.

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

[4]尚仁杰,趙國藩,黃承逵.低周循環(huán)荷載作用下混凝土軸向拉伸全曲線的試驗研究[J].水利學報,1996(7):82-87.

SHANG Renjie,ZHAO Guofan,HUANG Chengkui.Experimental investigation of complete stress-deformation curves for concrete under low frequency cyclic load[J].Journal of Hydraulic Engineering,1996(7):82-87.

[5]聶良學,許金余,任韋波,等.不同溫度及加載速率對混凝土沖擊變形韌性影響[J].振動與沖擊,2015,34(6):67-71.

NIE Liangxue,XU Jinyu,REN Weibo,et al.Effects of temperature and impact velocity on impact deformation and toughness of concrete[J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(6):67-71.

[6]閆東明,林皋,王哲.變幅循環(huán)荷載作用下混凝土的單軸拉伸特性[J].水利學報,2005,36(5):593-597.

YAN Dongming,LIN Gao,WANG Zhe.Uniaxial tensile properties of concrete under the action of cyclic variable amplitude load[J].Journal of Hydraulic Engineering,2005,36(5):593-597.

[7]BYONG Y B,HSU C T T.Stress-strain behavior of concrete under cyclic loading [J].ACI Materials Journal,1998,95(2):178-193.

[8]梁輝,彭剛,鄒三兵,等.循環(huán)荷載下混凝土應力-應變?nèi)€研究[J].土木工程與管理學報,2014,31(4):55-59.

LIANG Hui,PENG Gang,ZOU Sanbin,et al.Research on the stress-strain curve of the concrete under cyclic loading and unloading[J].Journal of Civil Engineering and Management,2014,31(4):55-59.

[9]YANKELEVSKY D Z,REINHARDT H W.Response of plain concrete to cyclic tension [J].ACI Materials Journal,1987(9):365-373.

[10]胡瑞波.拉壓荷載作用下瀝青混合料的疲勞特性研究[D].西安:長安大學,2012.

[11]BUYUKOZTURK O,TSENG T M.Concrete in biaxial cyclic compression[J].Journal of Structural Engineering,1884,110 (3):461-476.

[12]LI Q,ZHANG L,FARHAD A.Damage constitutive for high strength concrete in triaxial cyclic compression[J].International Journal of Solids and Structures,2002,39(11):4013-4025.[13]LOKUGE W P,SANJAYAN J G,SETUNGE S.Triaxial test results of high-strength concrete subjected to cyclic loading[J].Magazine of Concrete Research,2003,55(4):321-329.

[14]李敏,李宏男.鋼筋混凝土梁動態(tài)試驗與數(shù)值模擬[J].振動與沖擊,2015,34(6):110-115.

LI Min，LI Hongnan.Dynamic test and numerical simulation of reinforced concrete beams[J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(6):110-115.

[15]MANDER J B,PRIESTLEY M J N,PARK R.Theoretical stress-strain model for confined concrete[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1988,114(8):1804-1826.

[16]林皋,陳健云.混凝土大壩的抗震安全評價[J].水利學報,2001,32(2):8-15.

LIN Gao,CHEN Jianyun.Seismic safety evaluation of large concrete dams[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001,32(2):8-15.

[17]鄒篤建,劉鐵軍,滕軍,等.混凝土柱單軸動態(tài)抗壓特性的應變率效應研究[J].振動與沖擊,2012,31(2):145-150.

ZOU Dujian,LIU Tiejun,TENG Jun,et al.The research on strain rate effect of compressive behaviour of concrete column[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(2):145-150.

[18]崔延衛(wèi).混凝土動力特性試驗研究方法分析及其應用[D].南京:河海大學,2005.

[19]范向前,胡少偉,陸俊,等.混凝土靜動態(tài)軸向拉伸力學性能試驗[J].硅酸鹽學報,2014,42(11):1349-1354.

FAN Xiangqian,HU Shaowei,LU Jun,et al.Static and dynamic axial tension properties of concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2014,42(11):1349-1354.

Dynamic axial tensile tests of concrete with different initial damages

FAN Xiangqian1,2,HU Shaowei1,2,3,LU Jun1,2,CHEN Qiyong3

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098，China；3.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098，China)

In order to study the effects of different initial damage’s on the dynamic axial tensile strength of concrete,tests were conducted with 5 groups of concrete prism specimens under conditions of the same initial load amplitude range (1 kN to 5 kN),the same frequency (5 Hz),the same strain rate(10-4/s),and different loading cycles,by using an advanced MTS-NEW810 dynamic testing machine.The results showed that when the initial damage level of concrete prisms incredses,their fracture sections are more smooth and the numbers of broken coarse aggregates are less; with increase in initial damage level,some irreversible deformations appear in concrete specimens,and irreversible deformations increase obviously; the initial damage level doesn’t obviously affect the rising part of stress-strain relationship curves of concrete specimens,the initial damage level has little influence on their dynamic axial tensile strengths and peak strains as well.

concrete; cyclic loading; initial damage; uniaxial tension; dynamic test

國家杰出青年科學基金(51325904)；國家自然科學基金(51279111;51309163;51409162)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140081)

2015-07-15修改稿收到日期：2015-08-20

范向前 男，博士，高級工程師，1982年4月生

胡少偉 男，博士，教授，博士生導師，1969年2月生

E-mail:hushaowei@nhri.cn

TV331；TU317.1

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.17.020