钢纤维混凝土应变速率敏感性及本构模型研究.pdf
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1、新癯 建魄粉 全 国 中 文 核 心 期 刊 钢纤维混凝土应变速率敏感性 及本构模型研究 姜袁 , 郝景宏, 戚永乐 ( 三峡大学 土木水 电学院 , 湖北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要: 研究了单向应力状态下钢纤维掺量为 2 O 的钢纤维混凝土在应变速率为 1 O 、 1 O - 4 5 x 1 0 。 S 时的强度特性和变形特性, 在此基础上, 推导了钢 纤维 混凝 土的单轴应 力一 应变全 曲线 。 结果表 明, 普通混凝土 的单轴抗压 强度 、 弹性模量、 吸能能力随应变速率 的提高而提 高; 钢 纤维混凝土 的单轴抗压强度 、 弹性模量 随应变速率 的提 高而提 高, 但吸
2、能能力随应变速率的提高而 降低 ; 钢纤维对 混凝土 的抗压强度影 响不大 , 但 很好地改善混凝土 的延性, 相 同应变速率下钢 纤维混凝土 的峰值应变较普通 混凝土有所增 加; 相 同 基体强度的钢纤维混凝土吸能能力强于普通混凝土, 但弹性模量比普通混凝土小; 推导的应力应变曲线能够很好地描述钢纤维混凝 土在不 同应变速率下的应力应变全 曲线关系 。 关键词 : 应力应变曲线; 钢纤维混凝士; 应变速率 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 : A 文 章编号 : 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 0 5 0 4 Re s e a
3、r c h o n s t r a i n r a t e s e n s i t i v i t y a n d c o n s ti t u tiv e m o d e l o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J I A NG Y u a n , H A0 J i n g h o n g , Q l Y o n g l e ( Cdl e g e o f Ci v i l Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g , C h i n a T h r e e Go r g
4、e s Un i v e r s i t y , Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2, Hu b e i , Ch i n a ) Abs t r a c t : Th e s t r e n g t h c h a r a c t e r a nd d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e( S FRC) wi t h 2 O s t e e l fib e r c o n t e n t a t d i f f e r e n
5、 t s t r a i n r a t e s ( 1 0 , 1 0 , 51 0。 s - 1 ) u n d e r u n i a x i a l s t a t e of s t r e s s we r e i n v e s t i g a t e dOn t h i s b a s i s , t h e u n i a x i a l s t r e s s s t r a i n e q u mi o n wa s e s t a b l i s h e d T he r e s u l t s s h o we d t h a t u n i a x i a l c o
6、 mp r e s s i v e s t r e n gth, mo d u l u s o f e l a s t i c i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a b i l i t y o f p l a i n c o n c r e t e we r e i mp r o v e d a s s t r a i n r a t e s i n c r e a s e d ; u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d mo d u l u s o
7、f e l a s t i c i t y of SF RC we r e i mp r o v e d a s s t r a i n r a t e s i n c r e a s e d, b u t e n e r g y a b s o rpt i o n c a p a b i l i t y wa s o p p o s i t e; s t e e l f i be r c o n t e n t ha s n o b i g i n flu e n c e t o t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o
8、 n c r e t e , b u t i t c a n i mp r o v e i t s d u c t i l i t y ;t h e p e a k v a l u e o f S F RC i n c r e a s e d c o mpa r e d t o t h a t o f t h e p l a i n c o nc r e t e un d e r t he s a me s t r a i n r a t e; i f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth i s t h e s a me, S FRC h a s
9、mu c h mo r e e n e r gy a b s o rp t i o n c a p a b i l i t y t h a n t h a t o f t h e p l a i n c o n c r e t e , b u t i ts mo du l u s o f e l a s t i c i t y i s s ma l l e r ; t h e e s t a b l i s h e d mo d e l h a s a g o o d d e s c r i p t i o n o f t h e s t r e s s - s t r a i n e q u
10、a t i o n u n d e r d i f f e r e n t s t a i n r a t e s Ke y wo r ds : s t r e s s s t r a i n c u r v e s ;s t e e l f i be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ;s t r a i n r a t e s 为改善混凝土抗拉及延性不足等缺点,国内外众多学者 对钢纤维混凝土的力学性能开展了大量研究 。但目 前对钢 纤维混凝土的研究大多局限于静力性能 , 也有学者进行了 钢纤维混凝土动力性能的研究_l l , 而对于不同应变速率下
11、基金项 目: 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 6 7 9 0 3 9 ) 国家 自然科 学基金重 大项 目( 9 0 5 1 0 0 1 7 ) 中国博 士后基金项 目( 2 0 0 6 0 3 9 0 8 3 2 ) 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 9 2 6 作者简介: 姜袁, 女, 1 9 6 4年生, 上海人, 教授, 硕士生导师, 主要从事 大跨度结构设计理论与方法研究。E - m a i l : g p e n g 1 5 8 1 2 6 c o rn。 的钢纤维混凝土试验研究还很少,建立钢纤维混凝土本构模 型的研究成果更不多见。 本文对钢纤维混凝土进行应变速率敏感性试验
12、研究, 得 出在单轴受压作用下混凝土材料的某些动力特性及基本变化 规律, 在此基础上进行了材料的应力应变全曲线模型的研究, 为混凝土结构工程设计提供理论依据。 1 钢纤维混凝土应变率敏感性试验 1 1 试样 的制备 依据J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计规程 及J G T 3 0 6 4 -1 9 9 9 ( 纤维混凝土 进行配合比的理论计算和实际试 N E W BUI L Dl NG MAT E RI AL S 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜袁, 等: 钢纤维混凝土应变速率敏感性及本构模型研究 配, 从而确定钢纤维混凝土各材料用量
13、。 水泥为P 0 4 2 5 R水泥; 细骨料采用最大粒径为5 m m的 河砂, 粗骨料采用最大粒径为2 0 m m的卵石; 钢纤维采用尺 寸为0 5 m m x 0 5 m m x 3 2 m m的剪切型钢纤维, 长径比为5 7 的低碳钢,抗拉强度大于3 8 0 M P a ;拌和水采用饮用 自 来 水。在不改变混凝土基体配合比及各组成材料含量的原则 下, 确定每立方米钢纤维混凝土的纤维用量。 混凝土配合比 见表 1 。 表 1 混凝土配合比 试验所用试件尺寸为q b l 0 0 m mx l 5 0 m m圆柱体, 采用人 工搅拌、 振动台振捣密实, 2 4 h后拆模, 拆模后的试件立即放
14、 入( 2 0 3 )、 湿度大于9 5 的标准养护室养护, 本试验中试 件龄期均大于2 8 d , 故可忽略龄期长短的影响。 1 2 加载试验 本试验选用长春市朝阳试验仪器厂生产的大型微机控制 电液伺服多功能静动三轴材料试验机, 最大试验力 1 5 0 0 k N ; 采用引伸计进行变形测量, 轴向变形测量范围0 1 0 m m , 径向 变形测量范围0 5 m m , 位移测量范围O 一 1 0 0 m m。 加载速度能 够满足本试验的要求, 可以保证应变速率在 1 0 一 1 0 之 s 内具 有良好的工作性能。 试验分3 个步骤完成: ( 1 ) 将试件安放在试验机的竖向 加 载垫块上
15、, 调整引伸计, 保证轴向引伸计、 径向引伸计与试件 接触良好, 放置球铰, 调整作动头, 使压头靠近试件但不施加 力; ( 2 ) 通过移动转换使试件缓慢地预加载到 1 k N , 检查2 组 引伸计接收的数据是否正常; ( 3 ) 确认无误并开始按照设定的 应变速率控制加载过程, 同时采集位移值、 荷载值、 轴向变形 值、 径向变形值等各种数据, 记录步长的时间间隔为0 0 2 s 。 从图1 实测的轴向应变一 时间曲线可以看出应变速率基本上 为恒定, 能够确保试验结果的有效性和可靠性。 图 1 实测的轴向应变一 时间曲线 6 新型建筑材料 2 0 0 2 2 试验结果分析 2 1 强度特
16、性 不同应变速率下钢纤维混凝土的峰值应力如表2 所示。 表 2 不 同应变速率下钢纤维混凝土的峰值应 力 MP a 由 表 2 可见,混凝土的峰值应力随应变速率的提高而提 高,相同应变速率下钢纤维混凝土的峰值应力与普通混凝土 相比, 强度变化不显著。 取 1 0 S 为拟静态应变速率。采用式( 1 ) 的指数方程来 描述静态和动态试验普通混凝土和钢纤维混凝土的峰值应力 和应变速率相关方程。 O d = ( 磊 ( 1 ) 式中: 厂与响应应变速率南相对应的动态应力强度; 一 准静态情况下的应力强度; 参考应变率; n材料应变率敏感性的常数。 2 2 峰值应力处应变 不同应变速率下混凝土的峰值应
17、变见表3 。 表 3 不同应变速率下混凝土 的峰值应变x l 0 由表3 可见, 混凝土的峰值应变随应变速率变化不明显。 相同应变速率下钢纤维混凝土的峰值应变较普通混凝土有所 增加, 最大增幅为应变速率1 0 S 处。 2 3 弹性模量 弹性模量是材料变形性能的主要指标,本文取相对稳定 的应力一 应变曲线在达到峰值应力3 0 一 5 0 的割线模量作为 混凝土的弹性模量的标定值, 测试结果见表4 。 表 4 不同应变速率下混凝土的弹性模量 G P a 由表4 可知, 随应变速率的提高, 普通混凝土的弹性模量 有增大趋势, 但效果不明显; 而钢纤维混凝土的弹性模量随应 变速率提高显著增大; 应变
18、速率为1 0 、 1 0 s - 一 时, 钢纤维混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜袁 , 等: 钢纤维混凝土应变速率敏感性及本构模型研究 凝土的弹性模量比普通混凝土小。 用式( 2 ) 的指数型方程来模拟混凝土弹性模量与应变速 率对数之间的关系。 E d ( = ( 晶 ) ( 2 ) 式中: E 厂一当前应变速率下的弹性模量, G P a ; 一 拟静态应变速率下的弹性模量, G P a 。 2 4 吸能能力 混凝土的吸能能力一般定义为应力一 应变曲线与水平轴 围成的面积, 试验所得吸能能力计算结果见表5 。 表 5 不 同应变速率下混凝土的吸能能力 M
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