混凝土動力率效應力學性能研究

戴勇 唐鵬

摘要：混凝土作為目前應用最廣泛的材料，受力特性不僅廣泛且復雜，其在實際應用中多處于動力作用形態(tài)。文章對單軸受力和多軸受力下的混凝土動力率效應進行研究，闡述目前國內外的研究現(xiàn)狀，并對混凝土受動力率影響的因素展開分析，對混凝土動力率效應形成全面的認識。

關鍵詞：混凝土;動力率;受力形態(tài)

混凝土材料作為一種常見的建筑材料，由砂石骨料、水泥膠凝材料和水組成，因其組成材料的特性，混凝土在澆筑完成后的內部存在大量的微損傷部位，如孔洞和微裂紋等。這種材料存在極佳的優(yōu)勢，如取材容易、成本低、可塑性強和施工便利等，被廣泛應用于建筑領域。在建筑領域混凝土的應用非常廣泛，如房屋結構、橋梁結構、大壩水利結構和港口海岸結構等，在這些結構中混凝土不僅僅承受靜力荷載的作用，更多的是承受動載的作用，如地震、颶風、爆炸和撞擊等均屬于動載作用，對于混凝土的受力研究不僅僅局限于靜載受力的研究，其動載研究亦不容忽視[1]。

對于混凝土動力率效應的研究，已不僅僅局限于單軸受壓和單軸受拉的研究，逐步趨向于多軸受力性能研究和考慮多影響因素的研究。文章從混凝土單軸受壓、單軸受拉和多軸受力性能進行闡述，分析其對峰值應力、峰值應變（峰值應力對應的應變）和彈性模量的影響。

1混凝土單軸受力動力性能

首先發(fā)現(xiàn)混凝土動力效應的學者是Abrams[3]，即當混凝土的加載速率提高，混凝土的強度和變形也會受到影響。Jones[4]發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的提高混凝土的強度也會隨之提高。在早期的研究，由于設備的限制，僅對混凝土單軸受壓的動力率效應進行了研究。由普通的加載壓力機到落錘試驗，并發(fā)展到霍普金森壓桿設備。

在研究中，國外學者開展了大量的試驗，研究成果具體如下：當應變率由10-6/s提高到10-1/s時，Watstein[5]發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強度能夠提高到85%左右。Hughes[6]采用落錘試驗發(fā)現(xiàn)混凝土材料在受到?jīng)_擊作用時，其抗壓強度能夠提高90%。

國內學者對混凝土動力率的研究成果也較為廣泛，肖詩云[7]通過試驗研究的方法，將應變率為10-5/s作為混凝土準靜態(tài)抗壓強度，并且從10-5/s加載到10-1/s，研究結果發(fā)現(xiàn)每個數(shù)量級混凝土的抗壓強度依次能夠提高4.8%（應變率10-4/s）、9.0%（應變率10-3/s）、12%（應變率10-2/s）和15.6%（應變率10-1/s） ;同時閆東明對混凝土進行抗拉動力率試驗研究，研究結果表明混凝土受拉應變率在10-3/s加載到10-0.3/s，每個量級下混凝土的抗壓強度幅度均有所增加大約13.5%。近年來，普通混凝土與輕骨料混凝土的動力率試驗研究結果表明，兩種混凝土均有應變率效應，且輕骨料混凝土受應變率影響強于普通混凝土，混凝土強度和彈性模量與應變率的對數(shù)函數(shù)呈線性關系。

霍普金森壓桿（Hopkinson）試驗，該設備能夠達到很高的應變率，Zielinski對圓柱體進行動力率試驗，當加載應變率的變化范圍在2KN/mm2到60KN/mm2，混凝土的抗壓強度能夠得到很大的提高（133%～234%），其平均值提高范圍在211%。

文獻[6]對不同加載應變率普通混凝土受壓強度和受拉強度國內外研究者相關試驗數(shù)據(jù)進行總結，考慮加載應變率10-6/ s～104/s影響，如圖1所示。

根據(jù)圖1分析，混凝土單軸受壓和單軸受拉加載方式其極限強度值均隨著加載應變率的提高明顯增大，根據(jù)對比分析，混凝土單軸受壓受加載應變率影響提高幅度低于單軸受拉加載方式，當加載應變率小于100/s時，混凝土強度動態(tài)增長因子αDIF與對數(shù)應變率呈線性變化關系，如式（1）所示，當加載應變率大于100/s時，混凝土強度動態(tài)增長因子αDIF與對數(shù)應變率呈二次拋物線函數(shù)關系，如式（2）所示。

混凝土強度隨著加載應變率的提高而提高，無論是單軸拉壓還是多軸荷載試驗研究，目前認為導致這種實驗現(xiàn)成存在的原因主要是因為高應變率導致混凝土內部損傷來不及擴展，從而導致骨料的破壞，應變率越高骨料破壞的比例也越高，最終導致混凝土的強度急劇上升。

2混凝土多軸動力率效應

在實際工程中，混凝土更多的是受到多軸荷載的作用，如大壩中的混凝土受力形態(tài)以及鋼管混凝土核心混凝土的受力形態(tài)，均在多向約束的作用下，考慮多軸作用下的混凝土動力率效應的研究具有重要意義。

國外研究者Fujikake應用偽三軸試驗機（該設備的主要特點是圍壓數(shù)值相同）對混凝土圓柱體進行多軸動力性能試驗研究，根據(jù)研究結果提出了混凝土多軸動力形態(tài)的破壞準則和相應的本構關系，其研究結果表明，混凝土圍壓增大，混凝土的應變率對其強度影響會逐步降低。Gran對混凝土進行三軸動力率試驗，得到了相類似的結論，同時也發(fā)現(xiàn)動力率下混凝土破壞準則包絡線高于靜態(tài)荷載作用下的混凝土包絡線在30%～40%范圍之內。Takeda研究成果發(fā)現(xiàn)了不同應變率下混凝土破壞包絡面在主應力空間下基本是平行的。

國內研究者呂培印利用真三軸設備（該設備的主要特點在于圍壓可設置不等，能夠模擬更為符合實際情況的混凝土受力形態(tài)）對混凝土開展多軸動力性能試驗，將加載速率分別設置為2MPa/min、20MPa/min、200MPa/min和2000MPa/min，設置的側向壓力分別為0fc、0.25fc、0.5fc和0.75fc。相關研究結果表明，混凝土強度隨著側向強度提高而提高，其加載速率提高也會導致強度提高，同時加載應變率對混凝土的變形影響不夠明顯，但側向應力作用對其變形影響相對明顯。

宋玉普[7]對混凝土在側向應力作用下的劈裂強度受應變率影響進行了試驗研究。研究結果表明，混凝土加載應變率的提高，其劈裂面會越來越平整，骨料破壞的成分會越來越多，其劈拉強度隨著應變率提高逐步提高。

文章引用文獻[7]對普通混凝土雙軸受壓和三軸受壓試驗數(shù)據(jù)分析加載應變率與多軸強度關系，如圖2所示。

當圍壓為零時，混凝土受壓強度受加載應變率影響最大提高幅度為12.82%，當混凝土雙軸加載時，混凝土受壓強度受加載應變率影響提高百分率為18.06%～30.39%，說明雙軸受壓強度受加載應變率影響高于單軸加載工況，三軸受壓強度受加載應變率影響提高幅度低于10%，即三軸受壓時受加載應變率影響較低，說明圍壓作用對混凝土動力強度影響明顯。

根據(jù)上述多軸動力加載方式混凝土強度分析結果綜述，混凝土多軸加載方式主應力受加載應變率影響明顯，當混凝土處于雙軸受力方式，其主應力受動力率影響變化幅度相比于單軸加載方式較低，當混凝土處于三軸受力方式時，其主應力受動力率影響變化幅度相比低于單軸加載方式和雙軸加載方式。同時，加載應變率對混凝土多軸受力方式破壞準則影響較大，使得破壞準則拉壓子午線相比低應變率加載工況有明顯提高。實際工程中，混凝土多處于多軸受力狀態(tài)，對于多軸加載方式下的動力性能研究具有更加重要的意義。

3峰值應變

混凝土峰值應力對應的應變稱之為峰值應變，峰值應變受加載應變率的影響目前暫時還未有定論。文獻[7]對混凝土峰值應變與加載應變率關系進行分析，如圖3所示。

根據(jù)圖3分析，混凝土峰值應變與加載應變率關系，主要有三個結論：第一，混凝土的峰值應變隨著加載應變率的提高逐步提高;第二，混凝土的峰值應變隨著加載應變率的提高沒有變化;第三，混凝土的峰值應變隨著加載應變率的提高反而降低。由于混凝土材料本身具備的隨機性和非線性基本特征導致混凝土峰值應變隨加載應變率影響變化規(guī)律尚未確定，處于離散波動的狀態(tài)。

4混凝土動力率影響因素

影響混凝土動力率效應的影響因素有很多，目前的研究主要針對以下六個方面：混凝土的強度、含水量、溫度、初始應力、骨料和水灰比。同時混凝土的動力性能也與混凝土的齡期、養(yǎng)護條件和試驗方法等有關[4-7]。

4.1不同強度等級混凝土對混凝土動力性能的影響。其一，混凝土受動力影響提高因子隨著混凝土強度的提高逐步提高;其二，混凝土受動力影響提高因子隨著混凝土強度的降低逐步降低。對導致不同研究結論的原因進行分析，主要是由于混凝土試驗研究存在較大的離散性，該離散性對研究混凝土強度等級受應變率影響具有較大的干擾，最終出現(xiàn)上述研究結論。

4.2含水量對混凝土動力性能的影響。由于混凝土屬于一種多相復合型材料，本身存在一定的孔隙水，裂紋開展受水壓和黏性機制作用影響，與Stefan效應作用機理相同，最終使得含水量對混凝土動力率影響明顯，較高應變率下混凝土中水的存在是混凝土強度提高的重要因素，同時飽和狀態(tài)下混凝土受動力率影響明顯要高于正常濕度下混凝土的強度變化率。

4.3溫度對混凝土動力性能的影響?；炷翉姸入S應變率的提高逐步增大，而混凝土強度隨著溫度的提高逐步降低，混凝土受加載應變率和溫度影響明顯，同時考慮加載應變率和溫度的耦合作用，研究結論表明，混凝土在正常溫度下的動力率效應略高于低溫狀態(tài)下混凝土受動力率影響的效應，同時溫度效應對混凝土力學性能的影響高于應變率影響。。

4.4初始應力對混凝土動力性能的影響。初始應力作用后使得混凝土動力加載作用的加載歷時相對提高，對混凝土力學性能影響明顯，當初始應力越高時，混凝土動力加載歷時越短，混凝土強度受加載應變率影響越低，當初始應力越低時，混凝土動力加載歷時越低，混凝土強度受加載應變率影響越高，混凝土動力率下的強度隨著初始應力的提高而逐步降低，同時其趨勢隨著初始應力的增大也逐步明顯。

4.5混凝土所采用的粗骨料對動力性能的影響。當粗骨料的粘結性能較好時，混凝土具有較高的沖擊韌性，同時在應變率較小時，骨料大小對混凝土應變率強度提高因子影響不明顯，隨著應變率提高，大骨料混凝土的強度將不再受應變率的提高而逐步提高。粗骨料的尺寸、形狀以及類型對于混凝土動力性能存在一定的影響，但總體來說這種影響相對較弱，在一定程度上可以忽略。

4.6水灰比對混凝土動力性能的影響。與含水量對混凝土動力性能影響機理向類似，水灰比對混凝土動力性能影響明顯，隨著水灰比的提高，混凝土強度受加載應變率影響變化幅度逐步增大。

5結語

混凝土單軸加載和多軸加載均具有明顯的動力率效應，其中三軸加載方式受動力率影響相對較低?；炷翉姸仁軇恿β视绊懨黠@，應變受動力率影響相對較為不明顯，環(huán)境影響因素中，溫度、初始應力、含水率和水灰比對混凝土動力性能影響明顯，混凝土強度等級和粗骨料特性影響對混凝土動力性能影響相對較弱。

參考文獻

[1]過鎮(zhèn)海.混凝土的強度和變形：試驗基礎和本構關系[M].清華大學出版社，1997.

[2]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[3]閆東明.混凝土動態(tài)力學性能試驗與理論研究[D].大連理工大學，2006.

[4]Watstein D.Effect of straining rate on the compressive strength and elastic properties of concrete[J].ACI Journal，1953，49（4）：729-744.

[5]Abrams D A.Effect of rate of application of load on the compressive strength of concrete[J].ASTM Journal，1917，17（2）：384-377.

[6]Hughes B P，Gregory R.Concrete subjected to high rates of loading in compression[J].Magazine of Concrete Research，1972，24（78）：25-36.

[7]尚世明.普通混凝土多軸動態(tài)性能試驗研究[D].大連理工大學，2013.