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，其在實際應(yīng)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(yīng)進行研究，闡述目前國內(nèi)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(yīng)形成全面的認(rèn)識。

關(guān)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(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，如取材容易、成本低、可塑性強和施工便利等，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，更多的是承受動載的作用，如地震、颶風(fēng)、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(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行闡述，分析其對峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變（峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)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(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(shè)備的限制，僅對混凝土單軸受壓的動力率效應(yīng)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(shè)備。

在研究中，國外學(xué)者開展了大量的試驗，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，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(nèi)學(xué)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(yīng)變率為10-5/s作為混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度，并且從10-5/s加載到10-1/s，研究結(jié)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(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） ;同時閆東明對混凝土進行抗拉動力率試驗研究，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(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)變率影響強于普通混凝土，混凝土強度和彈性模量與應(yīng)變率的對數(shù)函數(shù)呈線性關(guān)系。

霍普金森壓桿（Hopkinson）試驗，該設(shè)備能夠達到很高的應(yīng)變率，Zielinski對圓柱體進行動力率試驗，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(yīng)變率普通混凝土受壓強度和受拉強度國內(nèi)外研究者相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行總結(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度值均隨著加載應(yīng)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(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，混凝土強度動態(tài)增長因子αDIF與對數(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，混凝土強度動態(tài)增長因子αDIF與對數(shù)應(yīng)變率呈二次拋物線函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示。

混凝土強度隨著加載應(yīng)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(rèn)為導(dǎo)致這種實驗現(xiàn)成存在的原因主要是因為高應(yīng)變率導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷來不及擴展，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)致混凝土的強度急劇上升。

2混凝土多軸動力率效應(yīng)

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(yīng)的研究具有重要意義。

國外研究者Fujikake應(yīng)用偽三軸試驗機（該設(shè)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(jié)果提出了混凝土多軸動力形態(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(jié)論，同時也發(fā)現(xiàn)動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)備的主要特點在于圍壓可設(shè)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(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，混凝土強度隨著側(cè)向強度提高而提高，其加載速率提高也會導(dǎo)致強度提高，同時加載應(yīng)變率對混凝土的變形影響不夠明顯，但側(cè)向應(yīng)力作用對其變形影響相對明顯。

宋玉普[7]對混凝土在側(cè)向應(yīng)力作用下的劈裂強度受應(yīng)變率影響進行了試驗研究。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(yīng)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(yīng)變率與多軸強度關(guān)系，如圖2所示。

當(dāng)圍壓為零時，混凝土受壓強度受加載應(yīng)變率影響最大提高幅度為12.82%，當(dāng)混凝土雙軸加載時，混凝土受壓強度受加載應(yīng)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(yīng)變率影響高于單軸加載工況，三軸受壓強度受加載應(yīng)變率影響提高幅度低于10%，即三軸受壓時受加載應(yīng)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(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，其主應(yīng)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(yīng)變率對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(yīng)變

混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變稱之為峰值應(yīng)變，峰值應(yīng)變受加載應(yīng)變率的影響目前暫時還未有定論。文獻[7]對混凝土峰值應(yīng)變與加載應(yīng)變率關(guān)系進行分析，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(yīng)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(yīng)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(guān)[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(dǎo)致不同研究結(jié)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(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含水量對混凝土動力性能的影響。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，裂紋開展受水壓和黏性機制作用影響，與Stefan效應(yīng)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(yīng)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。混凝土強度隨應(yīng)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(yīng)變率和溫度影響明顯，同時考慮加載應(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力率效應(yīng)略高于低溫狀態(tài)下混凝土受動力率影響的效應(yīng)，同時溫度效應(yīng)對混凝土力學(xué)性能的影響高于應(yīng)變率影響。。

4.4初始應(yīng)力對混凝土動力性能的影響。初始應(yīng)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(xué)性能影響明顯，當(dāng)初始應(yīng)力越高時，混凝土動力加載歷時越短，混凝土強度受加載應(yīng)變率影響越低，當(dāng)初始應(yīng)力越低時，混凝土動力加載歷時越低，混凝土強度受加載應(yīng)變率影響越高，混凝土動力率下的強度隨著初始應(yīng)力的提高而逐步降低，同時其趨勢隨著初始應(yīng)力的增大也逐步明顯。

4.5混凝土所采用的粗骨料對動力性能的影響。當(dāng)粗骨料的粘結(jié)性能較好時，混凝土具有較高的沖擊韌性，同時在應(yīng)變率較小時，骨料大小對混凝土應(yīng)變率強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(yīng)變率影響變化幅度逐步增大。

5結(jié)語

混凝土單軸加載和多軸加載均具有明顯的動力率效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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

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