不同应变速率下混凝土单轴受拉特性试验研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( To t a l No2 6 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoR ETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 4 9 不同应变速率下混凝土单轴受拉特性试验研究 孙吉 书,窦远明,李岩峰 ,王继兴 ( 河北工业 大学 土木工程学 院,天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 : 混凝土结构在使用过程 中均会受到动态荷载作用 , 混凝土的动态力学特性 与
2、静态情 况下 有很大的不同。 应用 MT S试验机 , 对 C 4 5 混凝土在应变速率为 1 0 5- 1 0 t S 范围内进行单轴动态拉伸试验, 全面系统的介绍 r混凝土动态受拉试验设备和试验方法。 系统研究 了 不同应变速率下混凝土的抗拉强度 、 弹性模量 、 峰值应变等抗拉力学特性 , 并给出了不同应变速率下混凝土抗拉强度 、 弹性模量 的计算公 式 。 试验结果表明 : 混凝土抗拉强度 、 峰值应变随着应变速率 的增加而增加 , 泊松 比离散性 比较大 , 增加趋势不明显。 这些成果可以为混凝 土结构 的动态设计提供一定的理论基础和技 术参数。 关键词 : 混凝土;抗拉特性;应变速
3、率 ;试验研究 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标 志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 4 9 0 3 E xpe r i men t al s t ud y on t h e t en s i l e pr o per t i e s of c on c r e t e und er diffe r en t s t r ai n r a t e s SUN J i s h u , DOU Yu a n mi n g, LI Ya h f e n g, W ANG J i - x i n g ( S c h o o
4、l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 , C h i n a ) A b s t r a c t : C o n c r e t e s t r u c t u r e s u n e v i t a b l y a r e s u b j e c t e d t o d y n a mi c l o a d s T h e me c h a n i c a l p r o p e r t i
5、e s o f c o n c r e t e u n d e r d yna mi c l o a d s d i ff e r f r o m t h a t u n d e r s tat ic l o a d s g r e a t l y D y n a mi c d i r e c t t e n s i l e t e s t s o f c o n c r e t e s p e c i me n s( C4 5 ) a r e c a r r i e d o u t o n MT S , wi t h t h e u n i a x i a l s t r a i n r a
6、 t e r a n g i n g fro m 1 0 一 S 一 t o 1 0 S - I Te s t e q u i p me n t a n d t e s t me t ho d u n d e r d yn a m i c l oa d s a r e i n t r o d u c e d Th e t e n s i l e p r o p e rti e s o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t s t a i n r a t e s , wh i c h i n c l u d e t e n s i l e s t
7、r e n g t h, e l a s t i c mo d u l u s a nd p e a k s t r a i n, a r c s t u d i e d s y s t e ma t i c a l l y Th e f o r mu l a s wh i c h c a n d e s c rib e t h e c h a n g e l a w o f t h e t e n s i l e s t r e n 【gth a n d e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e u nd e r d i ffe r e n
8、 t t h e s t r a i n r a t e s a r e p r o p o s e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e n s i l e s t r e n gth, e l a s t i cmo d u l u san dp e ak s t r a i n o f c o n c r e t ewo u l di n c r e a s ewi t ht h e s t r a i n r a t ei n c r e a s i n g T h e d i s c r e t e n e s
9、s o fP o i s s o n S r a t i oi sl a r g e r Andi t h a sn o t o b v i o u s ly i n c r e a s i n g t r e n d wi t h t h e s tr a i n r a t e i n c r e a s i n g Th e s tr e s s s t r a i n c u r v e s u n d e r d y n a m i c t e n s i l e l o a d s i s s i mi l a r a s t h a t u n d e r s t a t i c
10、 l o a d s Th e s e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s c a n p r o v i d e U S wi t h s o me t e c h ni c a l p a r a me t e r s an d t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d yn a mi c d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y w or d s : c o n c r e t e; t e n s i l e pr o p e
11、r t y; s t r a i n r a t e; e x p e r i me n tal s t u d y 0 引 言 混凝土是应用最为广泛 的建筑材料之一 , 混凝土结构在工 作过程中都不可避免的要承受各种动态荷载 的作用 , 如地震 、 爆 炸荷载、 高层建筑和桥梁要承受的风荷载、 海岸及海洋平台受 到的海水冲击 、 混凝土路面承受车轮 的冲击等【】 1 。 而混凝土在动 力荷载作用下的力学特性 与静荷载下的特性具有很大 的差别 , 往往混凝土在动态荷载作 用下 表现出来的性能在一定 条件下 对结构的安全性设计和可靠性设计起着决 定性 的作用 , 尤其是 混凝土的动态受拉特性往往
12、在地震作用时决定着结构的安全。 由于试验设备及试验技术的限制, 人们对混凝土动力抗拉试 验研究得较少2 1 。 并且 由于试验方法 、 试 验设 备的不 同, 以及试 验数据的离散性, 不同的研究人员会得出不同的结果。 B i r k i me d , 认为当应变率为2 0 S - 时, 混凝土抗拉强度增加了 5 0 , 当应变率 为 2 3 S 时, 抗拉强度则增加了 6 3 。 D a v i d 等人 应用Ho p k i n s o n 压力棒对混凝土进行了直接拉伸试验, 发现当应变率为 1 7 8 时 , 混凝土动态抗拉强度是 准静态抗拉强度 的 6 4 7倍 。 闫东明等_6 I
13、通过直接拉伸试验 , 得出了CI O 、 C 2 0两种强度 昆 凝土在应变率 收稿 日期:2 0 1 0 1 2 3 0 基金项目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 8 0 7 3 ) 1 0 5 - 1 0 。 S 范围内,应变率每增加一个量级 ,抗拉强度约增加 1 3 4 , 弹性模 量也有所增加 。 P a u l 等人 对混凝土进行 了动力 抗拉试验 , 发现混凝土的峰值应变与应变率无关。 A h ma d等人【 进行的动态试验中, 得出当应变率为3 x 1 0 S 时, 峰值应变比静 态荷载时增加了2 0 。 我国现行 水工建筑物抗震设计规范 嘲 规定 : “ 除水丁
14、钢筋混凝土结构外的混凝土水工建筑物的抗震 强度计算中, 混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值可较其 静态强度提高 3 0 ; 混凝土动态抗拉强度的标准值可取为动态 抗压 强度标准 值的 1 0 ” 。 而 GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构设 计规范 只给 出了混凝土在静态荷载下的强度和本构关系 , 也 没有考虑动态荷载的影响。 因此, 进行不同应变速率下混凝土 的抗 拉强度试验 , 对于明确混凝土 的动态力学特 性 , 完善 单轴 应力状态下的动态本构关系, 促进混凝土结构的动态设计、 保 证结构安全具有重要的意 义。 1试 验 概 况 1 1 试验设 备 本试验采用
15、美国MT S 一 8 1 0 N E W 液压伺服试验机。 该设备 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过设定运行 时间 、 行程( 位移 ) 来对混凝土试件实行一定应变 率的加载 。 其施 加最 大压力为 6 5 t , 最大拉力为 4 5 t 。 为 了能够 满足本试验的刚度要求, 在 MT S的加载头下面增加了辅助钢架 , 辅助钢架 的下面与底座连接 , 底座固定在混凝土支台上 , 如 图 1 所示。 试验数据采用美国 I o t e c h公司生产的高速便捷式测试系 统( S t r a i n b o o k 6 1 6 ) 采集。 图 1 试验
16、设备及试件装置图 1 2 试件 制备 试验采用哑铃形试件, 中间截面为边长 7 0 1 T I n l 的正方形, 两 端逐渐过渡 到边长 为 1 0 0 mi l l 的正方形 , 中间部分 高 1 0 0 i n n l , 试件总长 2 0 0 mm。 制备试件所用水泥为太行山牌 P O 4 2 5级 水泥, 细骨料为天然河砂( 中砂) , 粗骨料为粒径为 5 2 0 n l n 3 的 碎石 , 减水剂为高性能聚羧酸减水剂, 拌和水为普通 自来水。 采 用 C 4 5 强度等级进行混凝土的配合比设计 , 混凝土的配合比设 计结果见表 1 。 表 1 混凝土的配合比 k g m3 根据
17、普通混凝土力学性能试验方法标准 【l 1 和 水工混凝 土试验规程 中的相关方法成型和养护混凝土试件, 试件成型 2 4h后拆模 , 在室 内标准养护 2 8 d , 而后在 自然条件下养护( 试 验时龄期为 9 0 d ) 。 1 3试验 方案 为量测动荷载下混凝土 的竖 向和横 向应变 , 在试件 两个对 面中心的加载方向和垂直 于加载方 向十字形各贴一片应变片 , 竖向选用 5 m mx l 0 0 1 T I IT I 纸基应变片, 横向选用 5 m mx 3 0I I l lT I 纸 基应变片 。 同时 , 为 了能够准确稳定 的测 出混凝土 的纵 向变形 , 在试件的另两个侧面上
18、安放 L V DT 。 试验时直接拉伸试件直至 破坏 , 拉伸设计应变率分别为 : 1 O 、 1 0 。 、 1 0 、 1 0 S , 并 以 1 0 S 为准静态应变率, 应变率为 1 0 S - - 时混凝土的抗拉强度为准静 态抗拉强 度。 2 试验结果与分析 2 1 应 变速 率对混 凝 土抗拉 强度 的影 响 考虑到混凝土抗拉强度试验成功率及试验数据离散性的 影响 , 本研究对事先准备的 2 0块混凝土试件进行 了不 同应变速 率下的单轴直接拉伸试验, 其中 1 4块试件得到了较好的结果。 试验结果 如表 2所示。 从 昆 凝土的抗拉试验结果可以看出, 随着应变速率的增加, 混凝土
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