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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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
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