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        全級(jí)配混凝土彎拉試件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

        2019-06-13 07:20:34李春雷王海波李德玉
        水電與抽水蓄能 2019年2期
        關(guān)鍵詞:雙向試件動(dòng)態(tài)

        李春雷,王海波,李德玉,涂 勁,鐘 紅

        (中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京市 100048)

        0 引言

        隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的深入進(jìn)行,高烈度地震區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)了一批 300m 級(jí)高拱壩,高拱壩抗震安全成為需要高度關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題[1-2],而作為高壩抗震安全設(shè)計(jì)與評(píng)估的最基本的大壩混凝土的力學(xué)性能研究顯得尤為重要。

        大壩混凝土一般采用三級(jí)配或四級(jí)配骨料,最大骨料粒徑為150mm,試件最小斷面尺寸應(yīng)不小于3倍最大粒徑(450mm)。由于試件尺寸大,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求很高,全級(jí)配混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)較為困難。

        通常對(duì)大壩混凝土的力學(xué)研究主要采用濕篩法,無(wú)法真實(shí)反映實(shí)際大壩混凝土的性能指標(biāo),從而給大壩設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性和安全性均會(huì)帶來(lái)較大的影響[3-4]。

        由于混凝土材料抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度,因此全級(jí)配混凝土抗拉強(qiáng)度是高拱壩抗震安全評(píng)價(jià)中考慮的主要指標(biāo)。由于大壩混凝土受拉主要為剪切受拉和彎曲受拉,一般認(rèn)為劈拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度更能反應(yīng)大壩混凝土實(shí)際受力狀態(tài)。由于劈拉試驗(yàn)視強(qiáng)度需要從試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線段延伸間接獲得,因此,本文將依托先進(jìn)的15MN大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī),對(duì)全級(jí)配混凝土試件進(jìn)行彎拉試驗(yàn),同時(shí)考慮地震的循環(huán)反復(fù)作用,研究全級(jí)配混凝土在彎拉情況下力學(xué)行為。

        1 全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)基礎(chǔ)條件

        1.1 15MN大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)

        15MN大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)如圖1所示,具體參數(shù)如下[5-6]:

        (1)機(jī)架總高大約8200 mm,水平試驗(yàn)空間(立柱內(nèi)側(cè)間距)寬為2500mm。

        (2)額定載荷能力:15MN壓向力(做動(dòng)器延伸),8MN拉向力;行程:±300mm(總共600mm)。

        (3)15MN和2.5MN兩種傳感器用于載荷測(cè)量和控制;15MN壓差傳感器在2.5~15MN之間,測(cè)量誤差小于示值的±0.5%,示值變動(dòng)度小于示值的±0.1%;2.5MN載荷傳感器在10%~100%的量程范圍內(nèi),傳感器測(cè)量誤差小于示值的±0.5%,示值變動(dòng)度小于示值的±0.1%。

        (4)249.51鉸接座組件,額定力值±1000kN,旋轉(zhuǎn)角度為+90°或-30°,傾斜角度±8°,可靜態(tài)和循環(huán)測(cè)試使用,重量約510kg。

        圖1 15MN大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)Figure 1 The 15MN large-scale dynamic material testing system

        (5)試驗(yàn)機(jī)工作頻率范圍:0.001~10.0Hz,機(jī)架和做動(dòng)器在以上工作頻率范圍內(nèi)不發(fā)生共振。

        1.2 全級(jí)配彎拉試件制備及專(zhuān)用試驗(yàn)夾具

        混凝土采用四級(jí)配混凝土,按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006),全級(jí)配混凝土彎拉試件的尺寸為1700mm×450mm×450mm,如此大尺寸的試件沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的模具和試驗(yàn)夾具可用,因此,中國(guó)水利水電科學(xué)等研院抗震中心專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了全級(jí)配混凝土試件模具和彎拉試驗(yàn)夾具。彎拉試驗(yàn)夾具采用雙點(diǎn)加荷鋼制加壓頭,能夠?qū)蓚€(gè)相等的荷載同時(shí)作用于試件的兩個(gè)三分點(diǎn)處,兩個(gè)支座和兩個(gè)壓頭能前后傾斜。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)彎拉試件往復(fù)加載,能夠模擬地震波反復(fù)周期加載的特點(diǎn)。

        1.3 全級(jí)配彎拉試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)

        MTS 15MN大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)采樣頻率可達(dá)6144Hz,為捕捉全級(jí)配混凝土破壞瞬間的應(yīng)力應(yīng)變曲線奠定了極好的硬件條件。

        目前在全級(jí)配混凝土試驗(yàn)通常采用外部引伸計(jì)來(lái)測(cè)量試件受力過(guò)程中的變形。精度高的外部引伸計(jì)價(jià)格昂貴,影響其安裝數(shù)量,同時(shí)為避免損壞,不適宜用于試件破壞階段測(cè)量。應(yīng)變片成本較低,布置方便,通過(guò)提高電阻和激勵(lì)電壓可以獲得很高的精度,而且可以測(cè)量試件破壞階段的變形。因此,應(yīng)變測(cè)量是全級(jí)配混凝土試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要手段。

        中國(guó)水利水電科學(xué)等研究院抗震中心專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了適合全級(jí)配混凝土試驗(yàn)的應(yīng)變片,應(yīng)變片長(zhǎng)150mm,阻值為350Ω,測(cè)量精度可達(dá)0.5microstrain(微應(yīng)變)。

        2 全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)方案

        2.1 單向靜載、單向動(dòng)載加載方案

        為研究動(dòng)載對(duì)強(qiáng)度提高的影響,用力控制方式按0.45kN/s的加載速率(對(duì)應(yīng)應(yīng)變率量級(jí)為10-6)進(jìn)行單向靜載試驗(yàn)。用2400kN/s加載速率(對(duì)應(yīng)應(yīng)變率量級(jí)為10-3)進(jìn)行單向動(dòng)載試驗(yàn)。同時(shí)為研究預(yù)靜載對(duì)彎拉動(dòng)強(qiáng)度提高的影響,設(shè)計(jì)了30%預(yù)靜載+動(dòng)載和60%預(yù)靜載+動(dòng)載兩種工況。

        2.2 單向三角波循環(huán)荷載加載方案

        用單向變幅三角循環(huán)波加載試驗(yàn)研究全級(jí)配混凝土在反復(fù)受拉的循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為。

        動(dòng)態(tài)加載采用力控制模式,初次加載力的幅值為80kN,加載頻率為2Hz(對(duì)應(yīng)應(yīng)變率量級(jí)為10-4),3個(gè)循環(huán)為一組。以后每組加載力幅值增加80kN,直至試件破壞。

        2.3 雙向三角波循環(huán)靜載及動(dòng)載加載方案

        用變幅三角循環(huán)波加載來(lái)模擬地震作用,研究全級(jí)配混凝土在拉壓交變荷載作用下的力學(xué)行為。為研究全級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)率效應(yīng),采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種加載方式。

        靜態(tài)加載采用位移控制模式,初次加載力的目標(biāo)幅值為70kN,靜態(tài)加載(頻率為0.0067Hz),3個(gè)循環(huán)為一組。以后每組加載力幅值增加70kN,直至試件破壞。

        動(dòng)態(tài)加載初次加載力的幅值為80kN,加載頻率為2Hz,3個(gè)循環(huán)為一組。以后每組加載力幅值增加80kN,直至試件破壞。加載波形如圖2所示。

        圖2 三角波循環(huán)荷載加載方案Figure 2 The triangular wave cyclic loading

        2.4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置方案

        全級(jí)配混凝土骨料最大粒徑為150mm,應(yīng)變測(cè)量標(biāo)距應(yīng)不小于三倍的骨料最大粒徑,因此試件縱向的拉伸或壓縮變形均通過(guò)3個(gè)應(yīng)變片首尾搭接來(lái)測(cè)得,有效標(biāo)距為450mm。

        在全級(jí)配彎拉試件頂面、底面分別粘貼6個(gè)150mm應(yīng)變片,在兩個(gè)側(cè)面上分別粘貼9個(gè)150mm應(yīng)變片。全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3示。安裝后的全級(jí)配混凝土彎拉試件如圖4所示(圖中尺寸單位均為mm)。

        圖3 全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(a)試件頂面與底面;(b)試件側(cè)面Figure 3 The strain measurement points of full-grade concrete under flexural-tensile test

        圖4 全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)照片F(xiàn)igure 4 The picture of full-grade concrete under flexural-tensile test

        3 全級(jí)配混凝土彎拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        3.1 單向靜載、單向動(dòng)載下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度

        完成了單向靜載試驗(yàn)4個(gè),單向動(dòng)載試驗(yàn)5個(gè),30%預(yù)靜載+動(dòng)載工況試驗(yàn)3個(gè),60%預(yù)靜載+動(dòng)載工況試驗(yàn)3個(gè),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 單向靜載、動(dòng)載下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度Table 1 The bending strength of full-grade concrete under the unidirectional static and dynamic loading

        從表1可以看出,單向動(dòng)載作用下的彎拉強(qiáng)度比靜態(tài)彎拉強(qiáng)度提高1.611倍(本文中的動(dòng)態(tài)提高系數(shù)均以靜態(tài)彎拉強(qiáng)度為基準(zhǔn))。

        30%預(yù)靜載的情況下,動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度較靜態(tài)彎拉強(qiáng)度提高1.517倍;60%預(yù)靜載的情況下,動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度較靜態(tài)彎拉強(qiáng)度提高1.562倍。兩種預(yù)靜載情況下動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度提高倍數(shù)均小于沒(méi)有預(yù)靜載的動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度,說(shuō)明預(yù)靜載的存在,降低了全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的提高能力。但在60%預(yù)靜載要比30%預(yù)靜載動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度略高。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,適當(dāng)提高預(yù)靜載對(duì)動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步研究。

        3.2 單向循環(huán)荷載下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度

        完成了單向循環(huán)彎拉試驗(yàn)4個(gè),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 單向循環(huán)荷載下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度Table 2 The bending strength of full-grade concrete under the unidirectional cyclic loading

        從表2可以看出,單向循環(huán)動(dòng)載作用下的彎拉強(qiáng)度比靜態(tài)彎拉強(qiáng)度提高1.531倍,小于單向動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度,說(shuō)明循環(huán)荷載降低了全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的提高能力。

        3.3 雙向循環(huán)荷載作用下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度

        完成了雙向靜態(tài)循環(huán)彎拉試驗(yàn)3個(gè),雙向動(dòng)態(tài)循環(huán)彎拉試驗(yàn)5個(gè),結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 雙向循環(huán)荷載下全級(jí)配混凝土彎拉強(qiáng)度Table 3 The bending strength of full-grade concrete under the bidirectional cyclic loading

        3.4 雙向循環(huán)荷載作用下全級(jí)配混凝土彎拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線

        雙向靜態(tài)循環(huán)荷載作用下的全級(jí)配混凝土彎拉試件底部中間均勻受力區(qū)應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)鐖D5~圖9所示。

        圖5 雙向循環(huán)靜載應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 5 The stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

        圖6 雙向循環(huán)靜載第1階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 6 The phase 1 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

        圖7 雙向循環(huán)靜載第2階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 7 The phase 2 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

        圖8 雙向靜載第3階段循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 8 The phase 3 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

        從圖5~圖9中可以明顯看出,雙向三角波循環(huán)靜態(tài)彎拉試驗(yàn)中,混凝土材料及微裂縫受力變形充分,即使在1MPa左右的低應(yīng)力區(qū),每次拉壓循環(huán)之間也出現(xiàn)了幾個(gè)微應(yīng)變水平的不可恢復(fù)變形,拉壓彈模比較接近,未出現(xiàn)明顯彈模降低現(xiàn)象。

        圖9 雙向靜載第4階段循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 9 The phase 4 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

        隨著應(yīng)力水平的提高到2MPa左右,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的受拉曲線出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,受拉區(qū)滯回曲線面積大于受壓區(qū),說(shuō)明混凝土微裂縫進(jìn)一步開(kāi)展并出現(xiàn)更多的不可恢復(fù)塑形拉伸變形。

        當(dāng)應(yīng)力水平的提高到3MPa左右,全級(jí)配混凝土抗拉彈模進(jìn)一步降低現(xiàn)象,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的受拉區(qū)滯回曲線面積明顯大于受壓區(qū),說(shuō)明混凝土受拉出現(xiàn)更多不可恢復(fù)塑形變形。此時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的受壓區(qū)時(shí)的裂縫則在較高應(yīng)力水平向趨于穩(wěn)定,在相同荷載水平的三次循環(huán)中基本保持不變。同時(shí),從圖8可以看出,在1MPa壓應(yīng)力區(qū)附近,應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率無(wú)論恢復(fù)階段還是壓縮階段都出現(xiàn)了較為明顯的改變,此時(shí)試件的變形也恢復(fù)到0附近,說(shuō)明保持一定的壓應(yīng)力使得裂縫閉合有助于混凝土的壓縮模量的恢復(fù)。

        從圖9中可以明顯看出,全級(jí)配混凝土達(dá)到彎拉強(qiáng)度后,變形發(fā)展迅速,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的受拉區(qū)滯回曲線面積遠(yuǎn)大于受壓區(qū)。此時(shí),3MPa的壓應(yīng)力也不能使裂縫完全閉合。

        雙向三角波動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載作用下的全級(jí)配混凝土彎拉試件應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)鐖D10~圖14所示。

        圖10 雙向循環(huán)動(dòng)載應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 10 The stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

        圖11 雙向循環(huán)動(dòng)載第1階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 11 The phase 1 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

        圖12 雙向循環(huán)動(dòng)載第2階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 12 The phase 2 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

        從圖10~圖14中可以明顯看出,雙向三角波循環(huán)動(dòng)態(tài)彎拉試驗(yàn)中,由于荷載施加迅速,混凝土材料及微裂縫受力變形不充分,即使達(dá)到2MPa左右,每次拉壓循環(huán)之間也未出現(xiàn)了較大的不可恢復(fù)變形,拉壓彈模比較接近,未出現(xiàn)明顯彈模降低現(xiàn)象。尤其是應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中受壓區(qū),受壓區(qū)每次循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎完全重合,說(shuō)明壓縮時(shí)基本未出現(xiàn)損傷。

        隨著應(yīng)力水平的提高到3MPa左右,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中受拉區(qū)曲線出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,曲線中受拉區(qū)滯回曲線面積略大于受壓區(qū)。

        圖13 雙向循環(huán)動(dòng)載第3階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 13 The phase 3 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

        圖14 雙向循環(huán)動(dòng)載第4階段應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 14 The phase 4 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

        當(dāng)應(yīng)力水平的提高到4MPa左右,全級(jí)配混凝土抗拉彈模進(jìn)一步降低現(xiàn)象,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中受拉區(qū)滯回曲線面積明顯大于受壓區(qū),說(shuō)明混凝土受拉區(qū)的出現(xiàn)更多不可恢復(fù)塑形變形。從圖14也可以看出,在1MPa壓應(yīng)力區(qū)附近,應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率無(wú)論恢復(fù)階段還是壓縮階段也出現(xiàn)了較為明顯的改變,結(jié)合圖8的情況,說(shuō)明在保持一定的壓應(yīng)力使得裂縫緊密閉合有助于混凝土的壓縮模量的恢復(fù)。

        由于動(dòng)態(tài)加載下彎拉試件突然脆性破壞,5個(gè)雙向三角波動(dòng)載試驗(yàn)均未獲得破壞后的循環(huán)階段。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        (1)本次試驗(yàn)研究表明:?jiǎn)蜗騽?dòng)載作用下(應(yīng)變率10-3)的彎拉強(qiáng)度比靜態(tài)彎拉強(qiáng)度提高1.611倍,提高幅度超過(guò)了50%。

        (2)預(yù)靜載的存在,降低了全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的提高能力。但在60%預(yù)靜載要比30%預(yù)靜載動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度略高。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,適當(dāng)提高預(yù)靜載對(duì)動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步研究。

        (3)拉壓交變荷載作用較單純受拉循環(huán)荷載作用相比,拉壓交變荷載作用更容易加速了混凝土損傷的發(fā)展。

        (4)低速拉壓循環(huán)荷載與快速拉壓循環(huán)荷載相比,低速拉壓循環(huán)荷載更容易是混凝土材料產(chǎn)生破壞。

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