孫吉書，竇遠(yuǎn)明，于 龍

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.北方工程設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050000）

作為世界上應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，混凝土結(jié)構(gòu)在日常生活中隨處可見，如：橋梁、堤壩、房屋、隧道等等.在工作過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)除了會(huì)受到靜載作用之外，肯定還會(huì)受到各種動(dòng)載的作用，如爆炸荷載、沖擊荷載、風(fēng)荷載、地震等[1].而混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與靜態(tài)情況下的性能差別很大，混凝土的材料特性及混凝土結(jié)構(gòu)的損傷特性會(huì)受到應(yīng)變速率的顯著影響[2].并且，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全性往往取決于混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，尤其是在諸如地震等過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性往往決定于混凝土材料的動(dòng)態(tài)受拉技術(shù)特性.

混凝土動(dòng)態(tài)抗拉試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)儀器的要求要比靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)儀器的要求高很多，因此，相對(duì)于靜態(tài)試驗(yàn)，技術(shù)人員對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉性能的研究要少很多[3].并且不同的學(xué)者得到的結(jié)論也具有顯著的差異.Birkimer通過(guò)試驗(yàn)得出[4]，應(yīng)變率分別為20/s和23/s時(shí)，混凝土的抗拉強(qiáng)度分別提高了50%和63%.通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)，閆東明等[5]得出了C10和C20混凝土在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)的抗拉特性，得出混凝土的抗拉強(qiáng)度和彈性模量會(huì)隨應(yīng)變速率的增大而增加.Paul等人[6]的研究結(jié)論是混凝土的峰值應(yīng)變與應(yīng)變率無(wú)關(guān)，而Ahmad等人[7]的結(jié)論是峰值應(yīng)變?cè)趹?yīng)變率為3×102/s時(shí)，比靜態(tài)荷載時(shí)1.2倍.我國(guó)現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)荷載的影響，只給出了靜態(tài)荷載下混凝土的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系.而《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9-10]也只是將靜態(tài)下的強(qiáng)度提高一定的比例來(lái)作為混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，沒(méi)有闡述其強(qiáng)度的提高機(jī)理.這些結(jié)果表明，混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性遠(yuǎn)沒(méi)有得到明確.尤其是試件齡期、尺寸、試驗(yàn)條件等因素均會(huì)影響到混凝土的力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果，需要進(jìn)一步進(jìn)行混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以期進(jìn)一步掌握混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的抗拉特性，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可靠性、保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在美國(guó)MTS-810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.直接拉伸試件直至其斷裂，應(yīng)用JGN-Ⅱ型建筑結(jié)構(gòu)膠將試件兩端與鋼板相連（鋼板帶有螺栓孔），用螺栓把試件固定在試驗(yàn)機(jī)底座上，試件上端連接拉力傳感器，如圖1.應(yīng)用Strainbook/616系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).

在試件兩個(gè)對(duì)面中心的十字形各貼一片紙基應(yīng)變片，用以量測(cè)試件的應(yīng)變[10].豎向應(yīng)變片尺寸為5 mm×100 mm，橫向應(yīng)變片尺寸為5mm×30mm.同時(shí)，應(yīng)用安置于試件兩側(cè)的 LVDT量測(cè)混凝土的縱向變形.拉伸應(yīng)變速率分別設(shè)計(jì)為：105/s、104/s、103/s和102/s，并以應(yīng)變率為105/s時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度[10].

1.2 試件制備

試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)為啞鈴形，總長(zhǎng)200 mm，中間部分為高100 mm、邊長(zhǎng)70 mm的正方形，兩端逐漸過(guò)渡到邊長(zhǎng)100mm的正方形.試驗(yàn)材料分別為：普通硅酸鹽水泥（42.5#），Ⅱ區(qū)中砂，5～20mm的碎石，高性能聚羧酸減水劑，拌合水為普通自來(lái)水[10].混凝土的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法[11]成型和養(yǎng)護(hù)混凝土試件，進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后養(yǎng)護(hù)在自然條件下，到90 d齡期為時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)[10].

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度

在不同的應(yīng)變速率下，本文對(duì)C40混凝土進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)，每組試件不少于3個(gè)，若試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大時(shí)，需增加試驗(yàn)試件個(gè)數(shù)，排除不正常數(shù)據(jù).試驗(yàn)結(jié)果見表2.

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可已看出，混凝土的抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.應(yīng)變速率為104/s，混凝土的抗拉強(qiáng)度是準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的1.042倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別增大至1.115倍和1.13倍.這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)閇3，5]：應(yīng)變速率提高時(shí)，留給混凝土內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的將會(huì)時(shí)間越來(lái)越短，試件破壞時(shí)導(dǎo)致較多的混凝土骨料破壞，體現(xiàn)為混凝土的抗拉強(qiáng)度增大.

應(yīng)用最小方差法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得知，混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的比值與動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變速率的比值的對(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系[11]，混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (1)所示.

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

表2 混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度 MPaTab.2 Dynam ic tensile strength of concrete

2.2 混凝土的峰值應(yīng)變

對(duì)于混凝土的抗拉峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，不同研究人員得到的結(jié)論相差很多，甚至矛盾，閆東明、Ahmad等[5，7]認(rèn)為峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的提高而增大；而肖詩(shī)云等[3]卻認(rèn)為峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間沒(méi)有明確的規(guī)律性關(guān)系.根據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出混凝土抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示.

圖2 混凝土受拉典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Typical tensile stress-strain curveof concrete

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算和分析，得出不同條件下混凝土的峰值應(yīng)變值，詳見表3.

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的提高而增大，應(yīng)變速率為104/s，混凝土的峰值應(yīng)變是準(zhǔn)靜態(tài)峰值應(yīng)變的1.242倍，而當(dāng)應(yīng)變速率分別為103/s和102/s時(shí)，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變分別擴(kuò)大至1.309倍和1.42倍.這與閆東明等人[5]的結(jié)論相似，峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (2)所示.

式中： 、 分別為混凝土動(dòng)態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)峰值應(yīng)變.

2.3 混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力時(shí)，混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變之間接近線性關(guān)系，故本文取時(shí)的割線斜率為抗拉彈性模量.經(jīng)計(jì)算得出，不同情況下C40混凝土在的彈性模量值詳見表4.

從表4的彈性模量計(jì)算結(jié)果可以看出，混凝土在應(yīng)變速率為102/s時(shí)的彈性模量比應(yīng)變速率為105/s時(shí)的彈性模量提高了1.025倍，而當(dāng)應(yīng)變速率分別為103/s和102/s時(shí)，彈性模量分別擴(kuò)大至1.049倍和1.087倍.可見，混凝土的彈性模量隨應(yīng)變速率的提高而提高，彈性模量比與應(yīng)變速率的之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (3)所示.

2.4 應(yīng)變速率對(duì)混凝土泊松比的影響

混凝土快速破壞時(shí)，內(nèi)部的微裂縫要比慢速破壞時(shí)少.因此，一般認(rèn)為高應(yīng)變速率下混凝土的泊松比會(huì)高于低應(yīng)變速率時(shí)的泊松比，計(jì)算得出C40混凝土在不同應(yīng)變速率下泊松比的數(shù)值范圍為0.13～0.27，數(shù)據(jù)較為離散.泊松比的平均值為0.18～0.21，本文的試驗(yàn)結(jié)果顯示，泊松比與應(yīng)變速率之間沒(méi)有明確的規(guī)律性關(guān)系.

表3 不同應(yīng)變速率下混凝土的峰值應(yīng)變Tab.3 Concrete peak strain under differentstrain rates

表4 不同應(yīng)變速率下混凝土的彈性模量Tab.4 Concrete elasticmodulusunder differentstrain rates

3 結(jié)論

1）C40混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.應(yīng)變速率為104/s，混凝土的抗拉強(qiáng)度是準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的1.042倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別增大至1.115倍和1.13倍.

2）峰值應(yīng)變也會(huì)隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.

3）抗拉彈性模量也會(huì)隨著應(yīng)變速率的提高而明顯提高.混凝土在應(yīng)變速率為104/s時(shí)的彈性模量比應(yīng)變速率為105/s時(shí)的彈性模量提高了1.025倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時(shí)，彈性模量分別擴(kuò)大至1.049倍和1.087倍.

4）泊松比不會(huì)隨應(yīng)變速率的增大而明顯變化.

5）抗拉強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量與應(yīng)變率之間的相關(guān)關(guān)系.可分別用公式 (1)～公式 (3)表示.

[1]羅玉峰.在應(yīng)變率影響下混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]肖詩(shī)云，田子坤.混凝土單軸動(dòng)態(tài)受拉損傷試驗(yàn)研究 [J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（7）：14-20.

[3]肖詩(shī)云，林皋，王哲，等.應(yīng)變率對(duì)混凝土抗拉特性影響 [J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，41（6）：721-725.

[4]BIRKIMERD L，LINDERMANN R.Dynam ic tensile strength of concretematerials[J].ACIJ，1971，68（8）：47-49.

[5]閆東明，林皋，王哲，等.不同應(yīng)變速率下混凝土直接拉伸試驗(yàn)研究 [J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，38（6）：97-103.

[6]Paul FM，Ken PV，RobertA C.Dynam ic tensile-compressivebehaviorof concrete[J].ACIJournal，1985，82（4）：484-491.

[7]Ahmad SH，Shah SP.Behaviorof hoop confined concreteunderhigh strain rates[J].ACIJournal，1985，82（5）：634-647.

[8]GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[9]DL 5073-2000.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[10]孫吉書，竇遠(yuǎn)明，周戟.高強(qiáng)混凝土動(dòng)態(tài)受拉特性的試驗(yàn)研究 [J].建筑科學(xué)，2011，27（7）：46-49.

[11]GB/T 50081-2002.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.