不同应变速率下混凝土吸能特性及尺寸效应的研究.pdf
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1、第3 2卷 第5期 2 0 1 5年 5月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S de n 倘 c Re s e a r c h I n s t i t u t e V o L 3 2 No 5 Ma y 2 0 I 5 D OI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 5 0 5 0 2 5 不同应变速率下混凝土吸能特性及 尺寸效应的研究 胡伟华 。 邹荣华。 。 彭刚 , 邹三兵 ( 1 三峡大学 土木与建筑学院, 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ; 2 长江科学院 水利
2、部岩土力学与工程重点实验室, 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要: 为了解混凝土的尺寸效应 , 进行了混凝土动态抗压性能试验 , 分析了在不同试件尺寸( 1 5 0 , 3 0 0 , 4 5 0 mm立 方体) 不同应变速率( 1 0 s , 1 0 I 4 8 , 1 0。 s , 1 0 I 2 s ) 下混凝土的应力 一应变全曲线、 吸能特性 , 并基于 B a z a n t 尺寸 效应理论建立了含应变速率效应的混凝土强度的尺寸效应模型。结果表明, 混凝土力学性能存在明显的尺寸效应 和速率效应; 混凝土单位体积的吸能能力随试件尺寸的增大而降低; 在应变速率较小时, 混凝土的吸能能力
3、随应变 速率的增大而增加; 但应变速率超过一定值后, 混凝土吸能能力增加不明显 ; 混凝土应变软化程度随试件尺寸的增 大而加深; 在一定程度上, 峰后应变软化程度取决于试件几何尺寸。 关键词: 混凝土; 尺寸效应; 速率效应; 应变软化; 抗压性能; 吸能特性 中图分类号: T V 4 3 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 1 3 20 5 1 研究背景 最近年来 , 国内外研究学者 对 昆凝土的尺 寸效应进行 了大量 的研究 , 并取得 了一定的成果。 N e v i l l e 通过对 7 0, 1 2 5 , 1 5 0
4、 m m 3种尺寸混凝土立 方体试件进行抗压试验 , 结果显示小试件具有明显 高强度。Ma l h o t r a _ 贝 0 发现对 于强度 为 7 4 8 MP a 的混凝土圆柱体试 件 , 1 5 0 m m3 0 0 n l m圆柱体试 件抗压强度普遍低于 1 0 0 m m2 0 0 1T i m 圆柱 体试 件。S a b n i s 对 1 2个研究者所做的不同混凝土、 不 同养护方式和不同龄期的众多数据进行线性 回归分 析 , 得 出了混凝土抗压强度尺寸相应的经验公式 , 表 明混凝土材料的强度尺寸效 应受许多 因素的影响。 杨成球 , 吴政 对全级配及相应湿筛混凝 土立方体
5、试件进行了单轴抗压强度尺寸效应的试验, 得出全 级配与湿筛混凝土的强度均存在尺寸效应, 其变化 规律符合 We i b u U脆性材料统计理论。黄海燕等 J 对掺加粉 煤灰的 C 7 0高强混凝土峰值应力 的尺寸 效应进行研究发现, 对于立方体试件尺寸为 1 0 0 m m 与 1 5 0 m m进行试验 , 其折算系数为0 8 2 , 比适用于 普通混凝 土的0 9 5 小很 多, 这表明随着混凝土强度 的增加 , 强度尺寸效应更为 明显。虽然我国在制定 规范时, 在一定程度上考虑了试件尺寸对混凝 土强 度的影响, 但我 国结构设计 的理论基础是在小尺寸 试件的研究成果上建立的 , 设计 出
6、来 的成果缺乏合 理性和可靠性。而且相关规范的数据及公式大多基 于静态试验 , 没有考虑到动态加载对混凝土强度的 影响。因而 , 应用于工程实践 中时具有一定 的局限 性。鉴此 , 本文展开了不 同应变速率下不 同尺寸混 凝土试 件 的抗 压试 验研 究 , 将应 变速 率 引入 B a - z a n t - 8 尺寸效应模型, 建立了含应变速率效应的混 凝土强度尺寸效应模型 , 为混凝土力学性能研究及 工程实践提供可靠 的依据。 2试验过程 2 1 试件制备及养护 采用尺寸为 1 5 0 , 3 0 0, 4 5 0 m m 的立 方体试件。 依据相关规范L 9 确定后 的混凝土配 合 比
7、设计与试 配, 各 材料 用量 为: 粗 骨料 1 3 4 2 3 k g m ; 细 骨料 9 3 2 8 k g I n ; 水 1 7 5 k s I n ; 水泥 1 7 5 k g i n 。水泥 采用湖北三峡水泥厂生产提供 的 P 0 4 2 5 硅酸盐 水泥 , 拌 合用 水 为 饮 用水 , 粗 骨料 采 用 直 径 5 4 0 mm 连续级配碎石 , 砂 的细度模数为2 3 。将浇筑 的试件 至于标准养 条件下 ( 温 度为 2 03 C, 湿 度 9 5 以上) , 养护 2 8 d , 其后在 自然条件下养护直至 试验开始 。 收稿 日期 : 2 0 1 31 2 0 9
8、 ; 修回日期 : 2 0 1 31 22 2 基金项 目: 三峡大学培优基金项 目( 2 0 1 4 P X 0 1 4 ) 作者简介: 胡伟华( 1 9 8 8 一 ) , 男, 湖南安化人, 硕士研究生, 研究方向为结构工程, ( 电话) 1 3 6 1 7 2 7 8 0 4 1 ( 电子信箱) 4 6 4 9 1 3 9 8 8 q q e o m。 通讯作者: 彭刚( 1 9 6 3 一) , 男, 湖南岳阳人, 教授, 博士生导师, 研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震, ( 电话) 1 3 9 7 2 6 0 4 4 3 3 ( 电子信箱) g p e n g 1 5 8 1
9、 2 6 t o m。 长江科学院院报 混凝土试件尺寸 m m ( a ) 吸能能力与试件尺寸的关系 一5 - 4 3 2 应变速率的对数函数1 g c s ( b ) 吸能能力与应变速率的关系 图4 吸能能力与试件尺寸、 应变速率的关系 F i g 4 Re l a t i o n s h i p o f e n e r g y - a b s o r p ti o n c a p a c i t y wi t h s i z e a n d s t r a i n r a t e 表2 不同应变速率下的混凝土吸能能力降低幅度 Ta b l e2 Ra te o ft h e d e c r
10、 e a s e o f e n e r gy a b s o rp ti o n c a p a c i t y u nd e r d i ffe r e n t s t r a i n r a t e s 混凝土试件 尺寸 ra m 丕旦 堕变婆 工 圭 堂 竖堡堕垦 1 0 5 8 1 0一 s 1 0 3 s 1 0一 。 s l U 3 0 o 1 5 8 2 2 2 2 1 7 3 8 4 5 0 l 8 5 3 6 0 3 7 6 2 4 0 寸为 1 5 0 m m的混凝土试件吸能能力反而降低。说 明当应变速率超过一定值后 , 混凝土 吸能能增 加趋 于稳定 。具体增加幅度详见
11、表 3 。 表 3 不 同尺寸 的混凝土 吸能能 力增加幅度 Ta b l e 3 Ra te o f the i n c r e a s e o f e n e r g y a b s o rptio n c a p a c i t y o f c o n c r e t e wi t h d i 仃e r e n t s i z e s 应变速 率 s 至旦 垦! 堡 圭 堂 堂 : 坚 1 5 0 mm 3 0 0 mm 4 5 0 mm 5尺寸效应分析 由上述章节的分析可知 , 混凝土力学性能与尺 寸关系密切 , 现运用基于断裂力学的 B a z a n t 尺 寸效应理论对其尺寸效应
12、进行研究 。 B a z a n t 尺寸效应理论认为当混凝 土材料还没有 达到峰值应力前 , 其尺寸效应是因为很多裂纹逐步 发展导致的 , 特别是因为较大裂纹的发展汇聚一起 导致混凝土中应力重分 布。换 言之 , 混凝土材料尺 寸效应是 由于较大裂纹发展时释放 的能量导致 的。 其前提条件是: 结构在微裂纹开始处不容易失效; 几何相似的混凝土结构的破坏形式是相似的; 混凝土材料破坏所释放的能量跟裂纹 的长度和大 小有关; 混凝土材料破裂区需要消耗的总能量假 定是个常量。 基于断裂力学的B a z a n t 尺寸效应名义强度为 鞔 取 。 Do 式 中: =D D 。为脆性材料 , D指数
13、为试件尺寸 ; 是材料峰值应力; B为无量纲常数; D 。 为依赖材料 的几何常数 。 通过式( 2 ) 对不同应变速率下的峰值应力和试 件尺寸的拟合, 具体数值详见表4 , 曲线拟合见图5 。 表 4 不同应变速率下参数拟合结果 Ta b l e 4 Re s u l t o f p a r a m e ter fit t i n g u n d e r d i ffe ren t s tra i n r a t e s 1 4 1 3 1 , 2 1 1 1 0 0 9 0 l g D l g O ( a ) 应变速率l O 。 5 s ( b ) 应变速率1 0 s 1 g D ( c
14、) 应变速率1 0 s 实测值 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 O 9 0 8 1 l g D ( d ) 应变速率1 0 a s 。拟合曲线 图 5 不 同应变速率下混凝土峰值应力和 试 件尺寸的关系 F i g 5 Re l a ti o n s hi p b e t we e n p e a k s t r e s s an d s p ec i m e n s i z e u n d e r d i f f e r e n t s t r a i n r a tes 通过对表 4分析得出: 采用静态的 B a z a n t 尺寸 效应公式来拟合不同应变速率下的混凝土强度尺寸
15、效应 , 参数 和 D 。的值并非一个 常数值 。随着应 变速率的提高, B值增加 , 值降低 。说明 和 D 。 与应变速率有关 , 动态情况下 , B a z a n t 尺寸效应理论 不再适用, 需对其进行改进。 通过回归分析发现 和 D n的值与应变速率 的对数呈线性关系, 可以用公式( 3 ) 和 ( 4 ) 分别进行 拟合 : D o=a 1 l g v+b 1 ; ( 3 ) B =a 2 l g v+b 2 。 ( 4 ) 式 中: a 。 ( a : ) , b ( 6 ) 为系数。 第 5 期 胡伟华 等不同应变速率下混凝土吸能特性及尺寸效应的研究 1 3 5 由图6及表
16、5 可知 D 。 和 随着应变速率的变 化曲线与本文得到的试验结果吻合较好, 说明其拟 合公式能够较好地反映 D 0 和 B值随应变速率的变 化规律 。改进后的等效强度为 磁 , 1 + ( 0 0 9 4 l g v+1 5 2 8 6 l 4 0 3 5 1 3 0 1 2 5 目 1 2 O 1 1 5 1 t 0 1 O 5 5 l g v ( a ) 与应变速率的关系 ( b ) 趵 应变速率的关系 图 6 Do 和 B与应变速率的关 系 F i g 6 Va r i a t i o n o f D0 a n d B u n d e r d i ffe r e n t s t r a
17、 i n r a t e s 表 5 a 1 ( 4 2 ) , b 1 ( 2 ) 和 R 。的值 T a b l e 5 Va l u e s o f a 1 【 ) 。 b 1 ( )a n d R 由于混凝土的峰值应力不仅与试件的几何尺寸 有关, 还与加载的应变速率有关, 本文在 B a z a n t 尺 寸效应理论的基础上, 通过对试验数据的分析研究, 将应变速率作为一个变量因子引入到现有公式中得 到改进的名义强度公式 ( 5 ) , 这也说 明不 同尺寸的 混凝土峰值应力和多种因素有关。 6 结论 通过试验实测数据分析 了不同尺寸 、 不 同应变 速率 2种因素对混凝土受压性能
18、的影响 , 得 出如下 结论 : ( 1 )混凝土峰值力随着试件尺寸的增加而降 低, 随着应变速率的增加而增加, 说明混凝土材料具 有尺寸效应和应变速率效应。混凝土应变软化程度 随试件尺寸增加而加深。 ( 2 )混凝土的吸能能力随试件尺寸的增大而降 低; 在应变速率较小时, 混凝土的吸能能力随应变速 率的增大而增加。但应变速率超过一定值后, 混凝 土吸能能力增加趋于稳定 。 ( 3 )基于 B a z a n t 尺寸效应理论, 并结合本文试 验数据建立了含应变速率效应的混凝土强度的尺寸 效应理论模型且与试验数据拟合较好 。 参考文献: 1 N E V I ! 1 F A MT h e I n
19、 fl u e n c e o f S i z e o f C o n c r e t e T e s t C u b e s o n Me a n S t r e n g t h a n d s t 粕d a r d D e v i a t i o n J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , 1 9 5 6 ,( 8 ) : 1 0 1 1 1 0 2 M A L HO T R A V MA r e 48 I n c h C o n c r e t e C y l i n d e r s a s 61 2 I n c h
20、C y l i n d e r s Q u a l i t y C o n t r o l o f C o n c ret e ? J A C I J o u r n al,1 9 7 6 , 7 3 ( 1 ) : 3 3 3 6 3 S A B I N S G M。 MI R Z A S MS i z e E ff e c t s i n M o d e l C o n c r e t e J J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r al D i v i s i o n , 1 9 7 9,1 0 5 ( S T 6 ) : 1 0 0 71 0 2
21、 0 4 杨成球, 吴 政 全级配混凝土强度尺寸效应及变形特 性研究 J 大 连理工大学 学报, 1 9 9 7, 3 7( 增 1 ) : 1 2 91 3 4 ( Y A N G C h e n g - q i u ,WU Z h e n g I n v e s t i g a t i o n t o S t r e n g t h S i z e Eff e c t an d De f o r ma t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e G r a d i n g C o n c r e t e J J o u r n a l o
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