不同应变率对混凝土轴拉全曲线影响的试验研究_陈育志.pdf
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1、第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 22 Nov 2015 不同应变率对混凝土轴拉全曲线影响的 试验研究 * 陈育志 1, 2, 王 瑶 1, 陈徐东2 ( 1 金陵科技学院建筑工程学院,南京 211169; 2 河海大学土木与交通学院,南京 210098) 摘要 利用 MTS 试验机, 通过在试件与试验机之间设置球铰组件以降低混凝土拉伸试验中偏心的影响和消除 附加弯矩的影响。并以试件应变为加载控制方式, 完成了应变率为 10 7, 106, 105, 104 /s 四种数量级范围内的 混凝土动态轴向拉伸试验
2、。试验结果表明, 所采用的试验方法简便可行; 不同应变率下的混凝土轴拉应力- 应变全 曲线的形状有很好的相似性; 混凝土抗拉强度和抗拉弹性模量随着应变率的增加而增加, 但应变率的变化对混凝 土极限拉应变没有明显的规律性影响。 关键词 混凝土;轴向拉伸;应力- 应变全曲线;应变率 中图分类号: TU502文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0071- 04 Experimental research on effects of strain rate on tensile stress- strain curve of concrete in axial t
3、ension condition Chen Yuzhi1, 2,Wang Yao1,Chen Xudong2 ( 1 Architectural Engineering Institute,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China; 2 College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China) Abstract: MTS testing machine was used and ball hinge componen
4、ts were set between specimens and testing machine to eliminate the influence of eccentricity and additional bending moment in the process of concrete axial tensile test The dynamic axial tensile test of concrete within four strain rate magnitude ranges was completed with loading control method of sp
5、ecimen strain and the strain rates were 10 7, 106, 105, 104 /s The test results show that the used test methods were simple and feasible Under different strain rates,good similarities exist in different complete stress- strain curve shapes of concrete axial tensile tests Tensile strength and elastic
6、 modulus increase with the increase of strain rate,but the change of the strain rate has no obvious regular effect on the ultimate tensile strain of concrete Keywords: concrete;axial tension;stress- strain curve;strain rate * 江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究项目( BY2012039) , 住房和城乡建设部科技计划项目( 2013- K4- 39) 。 作者简介:
7、陈育志, 博士研究生, Email: yuzhichen jit edu cn。 0引言 目前, 建筑结构在地震作用下的损伤评估主要 从材料、 构件和整体结构三个层次进行。极端地震 条件下钢筋混凝土结构倒塌数值模拟分析离不开准 确的混凝土材料动态本构模型, 倒塌破坏阶段分析 需要的动态本构模型应包含软化段。 在混凝土轴拉试验中, 试件必须通过一定的 夹持方式与试验机连接才能确保拉力的传递, 夹 具的设计应保证试件的对中安装、 受力合理, 并避 免应力集中, 且可以重复利用。国内外常见的夹 持方式有三类: 预埋式、 端部粘贴式和侧夹式或侧 贴式。对于混凝土轴拉试验过程中出现的偏心情 况, 常见的
8、解决方式如下: 1) 采用链条式的柔式拉 杆; 2) 采用可自由转动的铰来保证试件受力的垂 直性, 调整试件两端拉力使其保持在同一直线上; 3) 采用可调式加力架, 在端部钢帽与试验机之间 设置四根调节杆, 通过多次预加载并调整螺丝位 置使四根调节杆的应变值相近, 从而消除偏心影 响。混凝土轴拉试验不仅要求试件断裂位置发生 在均匀受力段, 还要求变形量测设备能跨越试件 产生的裂缝, 且量测标距不宜过长。常见的解决 办法是制作设置缺口的试件或制作两端断面大中 间断面小的哑铃形( 狗骨形) 试件。 从已有研究成果看, 多是针对韧性较好的纤 维混凝土轴拉应力- 应变全曲线( 简称混凝土轴拉 全曲线)
9、 展开研究, 而针对普通混凝土轴拉全曲线 的试验难度极大, 试验研究成果极少, 存在不少基 础性问题( 动态软化段、 加载制度、 应变率等) , 需 要进一步探索和深化研究。本文通过混凝土轴拉 试验来研究不同应变率( 10 7, 106, 105, 104 /s) 下混凝土轴拉全曲线, 以完善混凝土的轴拉全过程 本构关系, 为地震作用下结构防倒塌设计提供相应 依据。 建筑结构2015 年 1试验概况 1. 1 试件制备 试验中所用试件的混凝土配合比为水泥 水 石 子 砂子 =1 0. 45 2 4。水泥采用普通硅酸盐 42. 5 级水泥; 粗骨料为最大粒径为 10mm 的碎石; 砂子为 河砂,
10、 颗粒大小为 0. 4 2. 5mm 连续级配。为了保 证试件的均匀性, 首先将混凝土浇筑在长 宽 高 为 1 100mm 300mm 300mm 的钢模中成型, 振动 密实, 24h 后拆模。在实验室内洒水养护 28d 后, 用 钻孔机钻孔取样。考虑试件尺寸不应低于最大骨料 粒径的 3 倍和引伸计固定的方便性, 采用实验室现 有的内径为 74mm 的钻孔取芯机进行取芯, 并采用 双刀片岩石切割机切割试件, 以保证试件两端面平 行。试件切割后的高度为 150mm, 约为试件横截面 直径的 2 倍。每种应变率对应的试件数为 3 个。本 次试验时试件的轴心抗压强度平均值为 55. 2MPa。 1.
11、 2 试验准备 在进行混凝土轴拉全曲线试验中有三个关键问 题需要解决: 第一是保证加载过程中荷载的瞬时传 递; 第二是减小混凝土直接拉伸过程中偏心影响; 第 三是有效获取混凝土轴拉全曲线的软化段。本研究 采取的解决方案如下: 设计可调至无间隙的传力球 铰装置, 球铰装置可自由转动, 能够避免试件端部约 束所导致的曲线失真; 同时能在加载过程中不断调 节拉伸方向, 保证拉力同轴并尽可能减小偏心引起 的误差。采用 45 号钢加工可拆卸的球形万向铰装 置, 其外观和构造如图 1 所示。 图 1球铰装置照片 不同的夹持方式会影响试件均匀受力段的长度 以及断裂的位置, 本文采用在圆柱形试件端部粘贴 足够
12、厚度钢帽的夹持方式, 此种方式下拉力通过端 部钢帽可以直接均匀地传递给试件。通过对市场上 现有的结构胶进行预试验, 使用 FC- SS 粘钢胶可 以很好地实现加载过程中混凝土试件与钢帽的 粘结。 1. 3 试验装置及加载方案 要测出混凝土轴拉全过程曲线中的完整软化段 并不容易, 因为当混凝土试件达到峰值应力时, 试验 机反力架变形所积蓄的能量会突然释放, 从而造成 试件突然破坏。黄承逵等 1 、 姚武等 2 指出: 要获得 混凝土的稳定断裂, 试验机的刚度必须大于混凝土轴 拉全曲线上任一点的斜率。对于脆性材料, 曲线下降 段很陡, 即材料刚度特别大, 普通试验机很难满足, 一 般采用附加刚性装
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