戴勇 唐鵬

摘要：混凝土作為目前應(yīng)用最廣泛的材料，受力特性不僅廣泛且復(fù)雜，其在實(shí)際應(yīng)用中多處于動(dòng)力作用形態(tài)。文章對(duì)單軸受力和多軸受力下的混凝土動(dòng)力率效應(yīng)進(jìn)行研究，闡述目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對(duì)混凝土受動(dòng)力率影響的因素展開(kāi)分析，對(duì)混凝土動(dòng)力率效應(yīng)形成全面的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：混凝土;動(dòng)力率;受力形態(tài)

混凝土材料作為一種常見(jiàn)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(nèi)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(shì)，如取材容易、成本低、可塑性強(qiáng)和施工便利等，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域混凝土的應(yīng)用非常廣泛，如房屋結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、大壩水利結(jié)構(gòu)和港口海岸結(jié)構(gòu)等，在這些結(jié)構(gòu)中混凝土不僅僅承受靜力荷載的作用，更多的是承受動(dòng)載的作用，如地震、颶風(fēng)、爆炸和撞擊等均屬于動(dòng)載作用，對(duì)于混凝土的受力研究不僅僅局限于靜載受力的研究，其動(dòng)載研究亦不容忽視[1]。

對(duì)于混凝土動(dòng)力率效應(yīng)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(jìn)行闡述，分析其對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變（峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變）和彈性模量的影響。

1混凝土單軸受力動(dòng)力性能

首先發(fā)現(xiàn)混凝土動(dòng)力效應(yīng)的學(xué)者是Abrams[3]，即當(dāng)混凝土的加載速率提高，混凝土的強(qiáng)度和變形也會(huì)受到影響。Jones[4]發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的提高混凝土的強(qiáng)度也會(huì)隨之提高。在早期的研究，由于設(shè)備的限制，僅對(duì)混凝土單軸受壓的動(dòng)力率效應(yīng)進(jìn)行了研究。由普通的加載壓力機(jī)到落錘試驗(yàn)，并發(fā)展到霍普金森壓桿設(shè)備。

在研究中，國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了大量的試驗(yàn)，研究成果具體如下：當(dāng)應(yīng)變率由10-6/s提高到10-1/s時(shí)，Watstein[5]發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠提高到85%左右。Hughes[6]采用落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土材料在受到?jīng)_擊作用時(shí)，其抗壓強(qiáng)度能夠提高90%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)混凝土動(dòng)力率的研究成果也較為廣泛，肖詩(shī)云[7]通過(guò)試驗(yàn)研究的方法，將應(yīng)變率為10-5/s作為混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，并且從10-5/s加載到10-1/s，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個(gè)數(shù)量級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度依次能夠提高4.8%（應(yīng)變率10-4/s）、9.0%（應(yīng)變率10-3/s）、12%（應(yīng)變率10-2/s）和15.6%（應(yīng)變率10-1/s） ;同時(shí)閆東明對(duì)混凝土進(jìn)行抗拉動(dòng)力率試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明混凝土受拉應(yīng)變率在10-3/s加載到10-0.3/s，每個(gè)量級(jí)下混凝土的抗壓強(qiáng)度幅度均有所增加大約13.5%。近年來(lái)，普通混凝土與輕骨料混凝土的動(dòng)力率試驗(yàn)研究結(jié)果表明，兩種混凝土均有應(yīng)變率效應(yīng)，且輕骨料混凝土受應(yīng)變率影響強(qiáng)于普通混凝土，混凝土強(qiáng)度和彈性模量與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)函數(shù)呈線性關(guān)系。

霍普金森壓桿（Hopkinson）試驗(yàn)，該設(shè)備能夠達(dá)到很高的應(yīng)變率，Zielinski對(duì)圓柱體進(jìn)行動(dòng)力率試驗(yàn)，當(dāng)加載應(yīng)變率的變化范圍在2KN/mm2到60KN/mm2，混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠得到很大的提高（133%～234%），其平均值提高范圍在211%。

文獻(xiàn)[6]對(duì)不同加載應(yīng)變率普通混凝土受壓強(qiáng)度和受拉強(qiáng)度國(guó)內(nèi)外研究者相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，考慮加載應(yīng)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(qiáng)度值均隨著加載應(yīng)變率的提高明顯增大，根據(jù)對(duì)比分析，混凝土單軸受壓受加載應(yīng)變率影響提高幅度低于單軸受拉加載方式，當(dāng)加載應(yīng)變率小于100/s時(shí)，混凝土強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子αDIF與對(duì)數(shù)應(yīng)變率呈線性變化關(guān)系，如式（1）所示，當(dāng)加載應(yīng)變率大于100/s時(shí)，混凝土強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子αDIF與對(duì)數(shù)應(yīng)變率呈二次拋物線函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示。

混凝土強(qiáng)度隨著加載應(yīng)變率的提高而提高，無(wú)論是單軸拉壓還是多軸荷載試驗(yàn)研究，目前認(rèn)為導(dǎo)致這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)成存在的原因主要是因?yàn)楦邞?yīng)變率導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷來(lái)不及擴(kuò)展，從而導(dǎo)致骨料的破壞，應(yīng)變率越高骨料破壞的比例也越高，最終導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度急劇上升。

2混凝土多軸動(dòng)力率效應(yīng)

在實(shí)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(dòng)力率效應(yīng)的研究具有重要意義。

國(guó)外研究者Fujikake應(yīng)用偽三軸試驗(yàn)機(jī)（該設(shè)備的主要特點(diǎn)是圍壓數(shù)值相同）對(duì)混凝土圓柱體進(jìn)行多軸動(dòng)力性能試驗(yàn)研究，根據(jù)研究結(jié)果提出了混凝土多軸動(dòng)力形態(tài)的破壞準(zhǔn)則和相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，其研究結(jié)果表明，混凝土圍壓增大，混凝土的應(yīng)變率對(duì)其強(qiáng)度影響會(huì)逐步降低。Gran對(duì)混凝土進(jìn)行三軸動(dòng)力率試驗(yàn)，得到了相類(lèi)似的結(jié)論，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)動(dòng)力率下混凝土破壞準(zhǔn)則包絡(luò)線高于靜態(tài)荷載作用下的混凝土包絡(luò)線在30%～40%范圍之內(nèi)。Takeda研究成果發(fā)現(xiàn)了不同應(yīng)變率下混凝土破壞包絡(luò)面在主應(yīng)力空間下基本是平行的。

國(guó)內(nèi)研究者呂培印利用真三軸設(shè)備（該設(shè)備的主要特點(diǎn)在于圍壓可設(shè)置不等，能夠模擬更為符合實(shí)際情況的混凝土受力形態(tài)）對(duì)混凝土開(kāi)展多軸動(dòng)力性能試驗(yàn)，將加載速率分別設(shè)置為2MPa/min、20MPa/min、200MPa/min和2000MPa/min，設(shè)置的側(cè)向壓力分別為0fc、0.25fc、0.5fc和0.75fc。相關(guān)研究結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度隨著側(cè)向強(qiáng)度提高而提高，其加載速率提高也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度提高，同時(shí)加載應(yīng)變率對(duì)混凝土的變形影響不夠明顯，但側(cè)向應(yīng)力作用對(duì)其變形影響相對(duì)明顯。

宋玉普[7]對(duì)混凝土在側(cè)向應(yīng)力作用下的劈裂強(qiáng)度受應(yīng)變率影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，混凝土加載應(yīng)變率的提高，其劈裂面會(huì)越來(lái)越平整，骨料破壞的成分會(huì)越來(lái)越多，其劈拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變率提高逐步提高。

文章引用文獻(xiàn)[7]對(duì)普通混凝土雙軸受壓和三軸受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析加載應(yīng)變率與多軸強(qiáng)度關(guān)系，如圖2所示。

當(dāng)圍壓為零時(shí)，混凝土受壓強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響最大提高幅度為12.82%，當(dāng)混凝土雙軸加載時(shí)，混凝土受壓強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響提高百分率為18.06%～30.39%，說(shuō)明雙軸受壓強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響高于單軸加載工況，三軸受壓強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響提高幅度低于10%，即三軸受壓時(shí)受加載應(yīng)變率影響較低，說(shuō)明圍壓作用對(duì)混凝土動(dòng)力強(qiáng)度影響明顯。

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

3峰值應(yīng)變

混凝土峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱(chēng)之為峰值應(yīng)變，峰值應(yīng)變受加載應(yīng)變率的影響目前暫時(shí)還未有定論。文獻(xiàn)[7]對(duì)混凝土峰值應(yīng)變與加載應(yīng)變率關(guān)系進(jìn)行分析，如圖3所示。

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

4混凝土動(dòng)力率影響因素

影響混凝土動(dòng)力率效應(yīng)的影響因素有很多，目前的研究主要針對(duì)以下六個(gè)方面：混凝土的強(qiáng)度、含水量、溫度、初始應(yīng)力、骨料和水灰比。同時(shí)混凝土的動(dòng)力性能也與混凝土的齡期、養(yǎng)護(hù)條件和試驗(yàn)方法等有關(guān)[4-7]。

4.1不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)混凝土動(dòng)力性能的影響。其一，混凝土受動(dòng)力影響提高因子隨著混凝土強(qiáng)度的提高逐步提高;其二，混凝土受動(dòng)力影響提高因子隨著混凝土強(qiáng)度的降低逐步降低。對(duì)導(dǎo)致不同研究結(jié)論的原因進(jìn)行分析，主要是由于混凝土試驗(yàn)研究存在較大的離散性，該離散性對(duì)研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)受應(yīng)變率影響具有較大的干擾，最終出現(xiàn)上述研究結(jié)論。

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

4.3溫度對(duì)混凝土動(dòng)力性能的影響?；炷翉?qiáng)度隨應(yīng)變率的提高逐步增大，而混凝土強(qiáng)度隨著溫度的提高逐步降低，混凝土受加載應(yīng)變率和溫度影響明顯，同時(shí)考慮加載應(yīng)變率和溫度的耦合作用，研究結(jié)論表明，混凝土在正常溫度下的動(dòng)力率效應(yīng)略高于低溫狀態(tài)下混凝土受動(dòng)力率影響的效應(yīng)，同時(shí)溫度效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響高于應(yīng)變率影響。。

4.4初始應(yīng)力對(duì)混凝土動(dòng)力性能的影響。初始應(yīng)力作用后使得混凝土動(dòng)力加載作用的加載歷時(shí)相對(duì)提高，對(duì)混凝土力學(xué)性能影響明顯，當(dāng)初始應(yīng)力越高時(shí)，混凝土動(dòng)力加載歷時(shí)越短，混凝土強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響越低，當(dāng)初始應(yīng)力越低時(shí)，混凝土動(dòng)力加載歷時(shí)越低，混凝土強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響越高，混凝土動(dòng)力率下的強(qiáng)度隨著初始應(yīng)力的提高而逐步降低，同時(shí)其趨勢(shì)隨著初始應(yīng)力的增大也逐步明顯。

4.5混凝土所采用的粗骨料對(duì)動(dòng)力性能的影響。當(dāng)粗骨料的粘結(jié)性能較好時(shí)，混凝土具有較高的沖擊韌性，同時(shí)在應(yīng)變率較小時(shí)，骨料大小對(duì)混凝土應(yīng)變率強(qiáng)度提高因子影響不明顯，隨著應(yīng)變率提高，大骨料混凝土的強(qiáng)度將不再受應(yīng)變率的提高而逐步提高。粗骨料的尺寸、形狀以及類(lèi)型對(duì)于混凝土動(dòng)力性能存在一定的影響，但總體來(lái)說(shuō)這種影響相對(duì)較弱，在一定程度上可以忽略。

4.6水灰比對(duì)混凝土動(dòng)力性能的影響。與含水量對(duì)混凝土動(dòng)力性能影響機(jī)理向類(lèi)似，水灰比對(duì)混凝土動(dòng)力性能影響明顯，隨著水灰比的提高，混凝土強(qiáng)度受加載應(yīng)變率影響變化幅度逐步增大。

5結(jié)語(yǔ)

混凝土單軸加載和多軸加載均具有明顯的動(dòng)力率效應(yīng)，其中三軸加載方式受動(dòng)力率影響相對(duì)較低?；炷翉?qiáng)度受動(dòng)力率影響明顯，應(yīng)變受動(dòng)力率影響相對(duì)較為不明顯，環(huán)境影響因素中，溫度、初始應(yīng)力、含水率和水灰比對(duì)混凝土動(dòng)力性能影響明顯，混凝土強(qiáng)度等級(jí)和粗骨料特性影響對(duì)混凝土動(dòng)力性能影響相對(duì)較弱。

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