梁春華，熊鵬飛，姜 袁

(1.三峽大學科技學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

當前，混凝土試驗多集中在靜態(tài)、動態(tài)單調(diào)加載方面[1-5]，現(xiàn)行規(guī)范中的設計方法多依據(jù)線彈性分析及材料單軸強度準則，而混凝土構(gòu)件在實際使用過程中不可避免地受到反復荷載作用，如高層建筑受到的風荷載作用，海洋工程受到的潮汐力作用等。在這些運動荷載作用下構(gòu)件的真實力學性能與當前多數(shù)試驗所代表的工況存在較大出入，因此開展混凝土反復加載試驗具有較大的現(xiàn)實工程意義?，F(xiàn)階段對巖石類材料在反復加卸載過程中的能量耗散及其演化規(guī)律有了一定深入的研究[6-13]，有關(guān)混凝土在反復加卸載破壞過程中能量的演化規(guī)律研究卻較少[14-16]，鑒于此，本文主要對混凝土試件進行了10-5/s 、5×10-5/s、10-4/s 、10-3/s 4種不同工況下的反復加卸載試驗，分析了試件加卸載過程中代表能量耗散的滯回環(huán)及塑性應變的變化規(guī)律，研究了耗散能與混凝土破壞程度之間的關(guān)系，所得成果對研究混凝土破壞過程有一定工程意義。

1 試件制備與試驗

采用設計強度為C30、尺寸為300 mm×300 mm×300 mm立方體試件，粗骨料∶細骨料∶水用量∶水泥用量=1 256.0∶564.3∶180.0∶450.0，水灰比為0.4，其中水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，自來水拌和，鋼模澆筑成型后自然條件下養(yǎng)護28 d。

試驗前通過砂紙打磨除去試件表面凝固的浮漿，隨后將試件置于加載小車上并推送至加載框中進行豎向?qū)χ姓{(diào)試。通過控制端對試件加載至10 kN以確保試件與加載裝置充分接觸，隨后以等步長的位移控制方式進行循環(huán)加卸載至試件破壞。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)提取

圖1給出了4種應變速率下混凝土試件循環(huán)加卸載應力-應變?nèi)€，圖2為加卸載速率10-5/s下曲線局部放大后的滯

圖1 不同應變速率下循環(huán)加卸載曲線Fig.1 Cyclic plus unloading curves at different strain rates

圖2 速率10-5/s下滯回環(huán)示意圖Fig.2 Down-delay loop diagram at rate 10-5/s

回環(huán)示意圖，其中滯回環(huán)面積即為循環(huán)加卸載過程中被耗散的能量[6]。將試驗曲線數(shù)據(jù)以excel形式導出，將應力-應變曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標數(shù)據(jù)后整體導入至AutoCAD工程軟件中，對滯回環(huán)進行隔離后即可通過查詢功能精確統(tǒng)計每一工況下不同循環(huán)過程中滯回環(huán)面積及塑性應變增量，如表1所示。

2.2 耗散能與加載速率關(guān)系

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得不同應變速率下循環(huán)次數(shù)與耗散能關(guān)系，如圖3。由圖3可知，在較低應變速率下(10-5/s、5×10-5/s)，循環(huán)加卸載過程中單位體積耗散能隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。高應變速率下，試件表現(xiàn)出明顯的脆性，試件破壞前所經(jīng)歷的總循環(huán)次數(shù)較少，耗散能在試件破壞前達到最大值，曲線中不呈現(xiàn)下降段。由曲線斜率的變化可知，耗散能達到最大值前的2～3次循環(huán)中，數(shù)值增加幅度呈降低趨勢。在循環(huán)次數(shù)一定的情況下，耗散能隨應變速率的增大呈現(xiàn)小幅度增加的趨勢。

表1 試件在不同應變速率下的單位體積耗散能及塑性應變增量Tab.1 Unit volume dissipation Energy and plastic strain increment of specimens at different strain rates

注：表中單位體積耗散能單位為：10-3J/mm3。

圖3 不同應變速率下加卸載循環(huán)次數(shù)與耗散能關(guān)系圖Fig.3 Diagram with the number of unloading cycles and dissipation energy at different strain rates

2.3 耗散能與塑性應變關(guān)系

通過表1數(shù)據(jù)，可繪制不同應變速率下試件在循環(huán)加卸載過程中耗散能與塑性應變增量隨循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系圖，如圖4。

圖4 不同應變速率下耗散能與塑性應變關(guān)系圖 Fig.4 Diagram of dissipation energy and plastic strain at different strain rates

從圖4中可知，在不同應變速率下混凝土每次加卸載都會產(chǎn)生新的塑性應變，塑性應變增量隨循環(huán)次數(shù)的增加變化幅度不明顯。當耗散能達到最大時，單次循環(huán)所產(chǎn)生的塑性應變并不會明顯增加，甚至會出現(xiàn)相比前一次減小的情況。由此表明，在混凝土循環(huán)加卸載過程中塑性應變隨耗散能的增大并不會顯著增大，隨耗散能的減小也不會明顯減小，兩者不存在顯著的相關(guān)性。根據(jù)能量守恒原理，加載裝置對混凝土試件所做的功一部分引起混凝土的塑性變形，另外一部分能量則被耗散掉了。其中，不斷新增的塑性應變導致混凝土由最初原生裂紋被壓密發(fā)展到產(chǎn)生裂紋至最終因裂紋貫通而破壞。通過比較巖石在循環(huán)加卸載過程中的能量耗散研究成果[4,6]可以發(fā)現(xiàn)，混凝土材料在循環(huán)加卸載過程中產(chǎn)生的能量耗散明顯大于巖石類材料。對比兩類材料可知，混凝土作為一種人工復合材料，其內(nèi)部微孔隙和原生裂紋明顯多于一般巖石類材料，在加載的初期階段，耗散能主要為壓密原生裂紋所做的功，其后密實的混凝土在加載過程中不斷產(chǎn)生裂紋、裂縫，耗散能在該過程中主要因為能量輻射而散失，如裂紋的產(chǎn)生激發(fā)聲發(fā)射、不同結(jié)構(gòu)單元相互摩擦產(chǎn)生熱能輻射。對比試件最終破壞形態(tài)(如圖5)可知，應變速率越低，試件內(nèi)部裂紋越多，破壞后的試件所產(chǎn)生小碎殘渣也越多，且結(jié)構(gòu)面間存在著更多粉末狀殘留物。該現(xiàn)象說明加載速率越低結(jié)構(gòu)面摩擦越頻繁，整個加卸載歷程中總耗散能也越大，同時總耗散能與試件破壞程度密切相關(guān)，即總耗散能越大試件破壞程度越高。

圖5 不同加載速率下試件的破壞形態(tài)Fig.5 Failure patterns of specimens at different loading rates

2.4 累計塑性應變與加載速率關(guān)系

根據(jù)表1中塑性應變增量與循環(huán)次數(shù)數(shù)據(jù)可繪制不同應變速率下混凝土累計塑性應變隨加載次數(shù)的關(guān)系圖，如圖6。

圖6 累計塑性應變與加載速率關(guān)系圖Fig.6 Diagram of cumulative plastic strain and loading rate

由表1及圖6可得，存在能量耗散的應力應變曲線段內(nèi)，應變速率為10-5/s、5×10-5/s 、10-4/s、10-3/s下試件累計塑性應變分別達25.63×10-3、11.65×10-3、7.04×10-3、4.79×10-3，隨著加載速率的提高，混凝土累計塑性應變呈顯著降低的特征，混凝土表現(xiàn)出顯著的脆性。不同加載速率下累計塑性應變曲線幾乎呈線性式重合，表明在加載歷程中混凝土塑性應變幾乎都以恒定幅度增加，且混凝土塑性應變的增加與加載速率無關(guān)。

3 結(jié) 語

(1)準確有效地統(tǒng)計混凝土在循環(huán)加卸載應力-應變曲線中滯回環(huán)面積及塑性應變等數(shù)據(jù)是研究混凝土在反復荷載下特性的重要前提，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接AutoCAD軟件能很好地實現(xiàn)這一目標。

(2)在循環(huán)次數(shù)一定的情況下混凝土耗散能隨應變速率的增加而增大，耗散能與加載速率之間存在正相關(guān)性，即率效應；耗散能增加到最大之前的增幅逐漸減小，低應變速率下耗散能隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先增加后減小的規(guī)律；混凝土破壞程度與耗散能密切相關(guān)，耗散能越大試件破壞時呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面越多，破壞程度越顯著。

(3)在整個循環(huán)加卸載過程中混凝土的塑性應變增量較為穩(wěn)定，與耗散能不呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，二者之間無顯著的率效應。

(4)混凝土在整個加載歷程中塑性應變幾乎均勻增加，且與加載速率無關(guān)；塑性應變增量與耗散能的大小無明顯相關(guān)性。