地震作用下普通混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究進(jìn)展

李 放

(中交路橋北方工程有限公司，北京 100176 )

0 前 言

地震往往對橋梁、建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度的破壞，對交通運(yùn)輸與人民生命財(cái)產(chǎn)危害極大，地震作用引起的混凝土應(yīng)變率在10-5/s～1/s[1]，混凝土在高應(yīng)變率下與準(zhǔn)靜載下力學(xué)性能差異較大，因此，有必要研究該應(yīng)變率范圍內(nèi)混凝土動態(tài)性能。

關(guān)于混凝土動態(tài)性能的研究很廣泛。Allen[2]利用Hop-kinson壓桿(SHPB)研究了C40混凝土動態(tài)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變率超過60/s時(shí)。

混凝土抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率格外敏感；金瀏[3]研究了低應(yīng)變率下混凝土動態(tài)破壞尺寸效應(yīng)，建立了混凝土動態(tài)破壞細(xì)觀分析模型；Rossi[4]認(rèn)為高應(yīng)變率加載引起的慣性力是混凝土強(qiáng)度提高的原因，所以應(yīng)變率越大，混凝土強(qiáng)度越高；王德斌[5]采用OpenSees軟件驗(yàn)證了不同加載方式下RC柱的動態(tài)力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)變率下RC柱雖然承載力提高，但延性降低，雙向菱形加載路徑下，RC柱承載力與剛度下降最快。尚世明與閆東明等[6-7]進(jìn)行了大量普通混凝土在多向應(yīng)力狀態(tài)下動態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)，得到了混凝土多向應(yīng)力狀態(tài)下動態(tài)本構(gòu)模型與破壞模式。

1 混凝土單向應(yīng)力狀態(tài)

1.1 拉壓性能

地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)一般可提高為準(zhǔn)靜態(tài)的1～1.6倍，不同應(yīng)變率下混凝土抗壓強(qiáng)度見表1。

混凝土抗壓強(qiáng)度的提高倍數(shù)和動態(tài)應(yīng)變率與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率比值的對數(shù)大致成線性關(guān)系。混凝土破壞表現(xiàn)為豎向貫穿開裂，破壞形式隨應(yīng)變率變化不大，與準(zhǔn)靜態(tài)加載下試件破壞形態(tài)相比，破壞面上骨料破損增多，這是混凝土動態(tài)強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)高的原因之一。

表1 混凝土單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度

1.2 抗拉性能

地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土動態(tài)單軸抗拉強(qiáng)度一般可提高為準(zhǔn)靜態(tài)的1～2倍?；炷猎嚰邞?yīng)變率下受拉區(qū)斷裂整齊，與準(zhǔn)靜態(tài)破壞形態(tài)基本相同。與準(zhǔn)靜態(tài)加載下試件破壞形態(tài)相比，破壞面上骨料破損增多，這是混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)高的原因之一。

1.3 彈性模量

地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土單軸受壓動態(tài)彈性模量一般可提高為準(zhǔn)靜態(tài)的1～1.4倍?；炷翉椖Ｌ岣弑稊?shù)和動態(tài)應(yīng)變率與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率比值的對數(shù)存在線性關(guān)系。

1.4 峰值應(yīng)變

在地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土峰值壓應(yīng)變通常降低為準(zhǔn)靜態(tài)的1～1.4倍，混凝土單軸受壓動態(tài)峰值應(yīng)變見下式[6]。

式中，εcd與εcs為混凝土動態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)單軸受壓狀態(tài)下峰值應(yīng)變。

混凝土峰值應(yīng)變降低倍數(shù)和動態(tài)應(yīng)變率與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率比值的對數(shù)存在線性關(guān)系?？偟脕碚f，隨應(yīng)變率增加，單軸抗拉強(qiáng)度峰值處拉應(yīng)變沒有明顯增大，壓應(yīng)變沒有明顯減小[8-9]。

2 混凝土雙向應(yīng)力狀態(tài)

為了解不同應(yīng)力路徑下混凝土雙軸動態(tài)力學(xué)性能，分別介紹動側(cè)壓(側(cè)向與主加載方向均按設(shè)計(jì)應(yīng)變率動態(tài)加載)與定側(cè)壓(首先側(cè)向加載至設(shè)計(jì)值保持不變，其次主加載方向按設(shè)計(jì)應(yīng)變率加載)下混凝土雙軸動態(tài)力學(xué)性能。

2.1 抗壓強(qiáng)度

動側(cè)壓下混凝土抗壓強(qiáng)度一般為準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度的1～1.6倍，并隨應(yīng)變率提高而提高，隨著側(cè)向動荷載峰值提高，抗壓強(qiáng)度先提高后減小，側(cè)向應(yīng)力峰值從0到混凝土單軸抗壓強(qiáng)度分為若干個(gè)等級。垂直于混凝土自由面上存在較大拉應(yīng)變，隨著最大主應(yīng)力增大，裂縫開展并貫穿整個(gè)構(gòu)件。

定側(cè)壓下混凝土抗壓強(qiáng)度隨著側(cè)應(yīng)力的增加先變大后減小，當(dāng)側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，混凝土雙軸強(qiáng)度比準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度增大不多。地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，定側(cè)壓普通混凝土雙軸抗壓強(qiáng)度一般可提高1～2倍。由于側(cè)向受壓面受約束，自由面裂縫明顯少于側(cè)向受壓面，混凝土破壞形態(tài)為：貫穿裂縫平行于自由面或與自由面成一定角度。

動側(cè)壓下混凝土雙軸強(qiáng)度較定側(cè)壓大，當(dāng)應(yīng)變率為10-2/s，單軸抗壓強(qiáng)度32.5 MPa的混凝土在兩種加載方式下強(qiáng)度可分別提高0.17與0.25[6]。

2.2 峰值應(yīng)變

在地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土峰值隨著應(yīng)變率的增加而減?。幌嗤膽?yīng)變率下，隨著側(cè)向應(yīng)力增加，混凝土峰值應(yīng)變先增加后減小。

混凝土在動側(cè)壓加載方式下雙軸受壓峰值應(yīng)變隨應(yīng)力比與應(yīng)變率的變化規(guī)律與定側(cè)壓類似，相同的應(yīng)力比或相同的應(yīng)變率下，動側(cè)壓加載方式下混凝土峰值應(yīng)變均小于定側(cè)壓。

2.3 彈性模量

混凝土雙軸受壓動態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率增加增大，在定側(cè)壓與動側(cè)壓兩種加載方式下，混凝土彈性模量較單軸受壓均有不同程度的增大，總得來說，應(yīng)變率效應(yīng)與側(cè)壓使混凝土彈性模量大于準(zhǔn)靜態(tài)單軸加載下混凝土彈性模量。

3 混凝土三向應(yīng)力狀態(tài)

3.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土三向應(yīng)力狀態(tài)動態(tài)抗壓強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)高。當(dāng)圍壓較低時(shí)，動態(tài)抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率敏感，當(dāng)圍壓接近混凝土單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，動態(tài)抗壓強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)提高在5%以內(nèi)。三向受壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土動態(tài)抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型見表2。

3.2 峰值應(yīng)變

混凝土三向應(yīng)力狀態(tài)下峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率與圍壓提高而增大。在地震引起的應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土動態(tài)應(yīng)變峰值在圍壓接近混凝土單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)大幅增大。

表2 混凝土三軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 論

1)地震引起應(yīng)變率范圍內(nèi)，混凝土單軸、雙軸和三軸的常見力學(xué)性能都有一定程度提高。

2)不同加載方式下應(yīng)力路徑對混凝土單軸、三軸力學(xué)性能影響不大，對混凝土雙軸力學(xué)性能有一定影響。

3)地震作用引起應(yīng)變率范圍內(nèi)混凝土延性提高，可以用做抗震設(shè)計(jì)改善混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能。

4)混凝土動態(tài)力學(xué)性能理論結(jié)果離散性仍較大，需要加大多軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土動態(tài)性能試驗(yàn)研究。

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