孫吉書，竇遠明，孫建誠，李 波

（1.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

0 引言

由于混凝土應用范圍不斷擴大，應用于工業(yè)和民用建筑中的混凝土結構在其工作過程中不但要承受靜荷載的作用，而且還不可避免的遭遇到地震、撞擊、爆炸等各種動態(tài)荷載的作用.但由于這些荷載破壞性較大且不可預知，而且在動態(tài)荷載作用下，不同的建筑物或建筑物不同的部位在不同的瞬時其應變率的變化各不相同[1-2].因此，為了對混凝土結構進行準確的動力設計和安全評價，需要正確認識混凝土在不同應變速率條件下的材料特性，對混凝土在動態(tài)荷載作用下的力學性能進行全面系統(tǒng)的研究，建立較為精確的數學模型.

本文通過試驗和有限元分析，系統(tǒng)研究混凝土在不同應變速率下的抗壓強度、剛度等力學特性及其規(guī)律性，同時分析動態(tài)荷載作用下混凝土簡支梁的動力結構性應，以期進一步明確混凝土材料的動態(tài)受壓力學特性以及動態(tài)荷載作用下的混凝土結構動力響應規(guī)律，進而指導混凝土的結構設計，保證混凝土結構的安全.

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

本試驗加載系統(tǒng)采用美國MTS液壓伺服加載系統(tǒng)，并在加載裝置上沿試件受力方向并聯一套蝶形彈簧，使試件和蝶形彈簧在加載過程中共同受力[3-4].當混凝土達到極限壓應力時，試件承載力急劇下降，此時蝶形彈簧繼續(xù)儲存彈性應變能，從而保證混凝土試件穩(wěn)定破壞而非瞬間脆性破壞，進而得到完整的應力應變曲線.

調整試件位置，使試件與加載板幾何對中，控制壓頭靠近試件但不施加力.在試件頂端對角處安裝兩個位移傳感器（LVDT），用于測量試件全高的平均應變；預加荷載10 kN，觀察兩對應變片的應變變化是否滿足要求.待試件位置調整完畢后，卸掉預加荷載，以設定的加載速率正式加載.采樣頻率依加載速率而定，加載至試件破壞后，拆除試件，記錄數據文件.

1.2 試驗試件

試驗試件為棱柱形，尺寸為70mm×70mm×200mm.為保證混凝土均勻性，減小試驗結果的離散度，混凝土采用小型攪拌機自行攪拌.水泥采用奎山P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為級配Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料為碎石，石子最大粒徑20mm，攪拌水為普通自來水，減水劑為高性能聚羧酸減水劑.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土的配合比 kg/m3Tab.1 The gradation of concrete

2 試驗結果與分析

2.1 應變速率對混凝土抗壓強度的影響

根據表1中的配合比，按照標準方法成型和養(yǎng)護混凝土試件[5]，齡期28 d之后改在空氣中自然養(yǎng)護，試驗時試件齡期為90 d.本文對C30、C40兩種強度的混凝土進行了不同應變速率下動態(tài)壓縮試驗，結果見表2.

表2 不同應變速率下C30、C40混凝土的抗壓強度 MPaTab.2 The compressive strength of C30 and C40 concrete under differentstrain rates

從表2中數據可以看出：C30、C40混凝土的抗壓強度隨應變速率的增加有較為明顯的提高.以應變率速為1×105/s時的抗壓的強度為混凝土的準靜態(tài)抗壓強度，C30混凝土在各應變速率下強度分別增長了6.4%、20.7%、21.7%；C40混凝土的強度分別增加了4.7%、8.8%和12.3%.由已有的結論可知，混凝土強度的提高主要是由于隨著應變速率的增加，荷載作用時間越來越短，混凝土在破壞時砂漿基體內部微裂縫來不及充分擴展，使材料無法得到足夠的時間積累能量，只能通過提高應力的辦法來達到提供能量的目的，從而導致了混凝土的強度隨著應變速率的增加而提高[6].

圖1為C30、C40混凝土動態(tài)抗壓強度增量系數與應變速率之間的關系圖.從圖1中可以看出混凝土的動態(tài)極限抗壓強度隨著應變率的增加而提高，其增量系數與應變速率的對數近似成直線關系.C30、C40混凝土動態(tài)強度與應變速率之間關系如式(1)和式(2)所示：

2.2 應變速率對混凝土彈性模量的影響

混凝土材料應力應變關系曲線的初始切線模量在試驗中測試的難度較大，并且由于試驗數據存在離散性，很難精確測量.因此本文取50%峰值應力處的割線模量作為彈性模量進行分析[7].表3列出了不同應變速率下C30、C40混凝土的彈性模量.

表3 C30、C40混凝土在不同應變速率下的彈性模量 104 MPaTab.3 Elasticmodulusof C30 and C40 concrete under differentstrain rates

從表3中試驗結果可以看出，兩種強度混凝土的彈性模量隨應變速率的增加均有增長的趨勢.與應變速率為1×105/s時混凝土的彈性模量相比，C30混凝土在應變速率為1×104/s、1×103/s、1×102/s時的彈性模量分別增長了10.7%、11.6%、14.5%；C40混凝土的彈性模量分別增長了4.9%、7.9%、11.3%.

2.3 應變速率對混凝土受壓應力應變曲線的影響

混凝土應力應變曲線可以全面宏觀的反映混凝土的各種力學特性，混凝土的抗壓強度、峰值應變、彈性模量等都可以在曲線上得到很好的反映.由于混凝土動態(tài)壓縮試驗對試驗機剛度、加載控制過程以及數據采集設備性能都有很高的要求，因此研究者們[8-9]所得出的結論都存在一定的局限性.本次試驗對 C30、C40混凝土共30塊試件進行了4種不同應變速率下的抗壓試驗，其中24塊試件的結果較為理想.兩種強度混凝土在不同應變速率下的實測應力應變曲線與擬合曲線如圖2、圖3所示.

從圖2和圖3可知，雖然應變速率對混凝土的抗壓強度、峰值應變、彈性模量等力學性能具有顯著的影響，但是同一強度混凝土在整個壓縮過程中，應力應變曲線在除去少量的離散點后形狀相似，并且與靜態(tài)荷載下的應力應變曲線形狀相似，與已有的研究結論相符[10-11].

同時，從實測曲線可以看出，隨著應變速率的增加，混凝土的峰值應變也有所減小，并且在各應變速率下混凝土的應力應變曲線變化趨勢明顯，表明此等級的試驗結果具有普遍性.

3 混凝土的動力結構響應分析

為了應用進一步明確應變速率對混凝土的結構動力響應的影響，使混凝土動態(tài)受壓試驗結果在結構動力分析中得到應用，本文對一簡支梁進行了動力反應分析.梁的結構尺寸及有限元網格劃分如圖4所示（C40混凝土）.

圖2 實測混凝土受壓應力應變曲線Fig.2 Measured compressive strain-stress curveof concrete

圖3 擬合的混凝土受壓應力應變曲線Fig.3 Fitting compressive strain-stress curveof concrete

圖4 梁的結構及網格劃分示意圖Fig.4 Sketchmap of structrueandmeshesof thebeam

表4 梁的動力響應計算結果Tab.4 Dynam ic response calculating resultsof the beam

由表4的計算結果可知，相對于準靜態(tài)荷載作用時的情況，在動態(tài)荷載作用下，梁的最大位移增大了10.6%，主壓應力增大了18.4%，主拉應力減小了31.2%.可見，應變速率對混凝土的結構動力響應具有顯著的影響，需要在混凝土結構設計中充分重視荷載動力效應的分析，以保證結構的穩(wěn)定與安全.

4 結論

1）C30、C40混凝土的抗壓強度隨著應變速率的增加呈明顯增加的趨勢.若以應變速率為1×105/s時的強度為混凝土的準靜態(tài)抗壓強度，C30混凝土在1×104/s、1×103/s、1×102/s 3種應變速率下強度分別增長了6.4%、20.7%、21.7%；C40混凝土在各應變速率下強度分別增長了4.7%、8.8%、12.3%.

2）混凝土的受壓彈性模量也呈現出增長趨勢，若與1×105/s時混凝土的彈性模量相比，C30混凝土在1×104/s、1×103/s、1×102/s 3種應變速率下彈性模量分別增加了10.7%、11.6%、14.5%；C40混凝土在各應變速率下的彈性模量分別增長了了4.9%、7.9%、11.3%.

3）隨著應變速率的增加，混凝土的應力應變曲線也有一定的變化，但是兩種強度的混凝土在動態(tài)荷載作用下的應力應變曲線與靜態(tài)荷載下的應力應變曲線具有很好的相似性，這些曲線很好的反映了混凝土的受壓特性，并且有明顯的規(guī)律性.

4）對混凝土簡支梁的數值分析表明，應變速率對混凝土的動態(tài)結構響應具有顯著的影響，需要在混凝土結構設計中充分重視荷載動力效應的分析，以保證結構的穩(wěn)定與安全.

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