静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究_李胜林.pdf

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究李胜林1，陈云瑞1，张明悦2，徐平甲3，郝劲戈1（1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；2.北京市通州区住房和城乡建设委员会，北京101199；3.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京101500）摘 要：为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性，本文以混凝土试件为试验对象，先通过 YAD-2000 试验压力机对多组混凝土试件进行预加载，使 C30 混凝土试件出现不同程度的损伤，然后利用 SHPB 试验设备对试件进行单次冲击压缩试验，研究静载下的损伤对混凝土应力应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现，经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中，存在一个分界点.大于分界值时，损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.关键词：静载历史；霍普金森压杆(SHPB)；损伤；应变率效应；动态抗压强度中图分类号：TU528.1 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)05-0470-08DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.129Research on the Dynamic Compressive Performance of Concrete dueto the Damage Static Load HistoryLI Shenglin1，CHEN Yunrui1，ZHANG Mingyue2，XU Pingjia3，HAO Jingge1（1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Tongzhou Municipal Commission of Urban and Rural Development,Beijing 101199,China;3.China Railway 16th BureauGroup Corporation Limited,Beijing 101500,China）Abstract：To study the dynamic mechanical properties of concrete structures in service and with initial damageunder impact dynamic load,concrete specimens were taken as experimental objects.First,several groups of con-crete specimens were preloaded by YAD-2000 test press to varying degrees of damage.Then,the SHPB testequipment was used to perform a single impact compression test on the specimen to study the characteristics ofthe damage to the concrete stress-strain curve under static load,and influences of characteristics such as dynam-ic compressive strength and failure mode.Through a series of tests,it was found that the concrete subjected tothe initial static load had a strong load damage effect and strain rate effect.There was a boundary point in the re-lationship between the damage of concrete under static load to the reduction of dynamic compressive strength.When it was greater than the cut-off value,the change in damage degree had a significant effect on the dynamiccompressive strength of concrete.The research results have theoretical significance and reference value for theresearch and application of the dynamic performance of concrete under load history.Key words：static load history；split Hopkinson pressure bar(SHPB)；damage；strain rate effect；dynamic com-pressive strength 收稿日期：2022 06 02基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574247，10272109）；国家教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（220060290009）；中央高校基本科研业务专项资金资助项目（2010QL05）作者简介：李胜林（1977）男，博士，副教授，E-mail：.通信作者：陈云瑞（1998）男，硕士生，E-mail：.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2023 随着人们对建筑结构安全可靠性要求的不断提高，地震、风、爆炸等动态荷载对建筑结构的影响越来越受到关注.目前，大量学者对混凝土动态性能的研究相对深入，但大多都是针对无初始损伤的混凝土.结合实际情况，混凝土结构在使用过程中，会承受各种不利因素导致不同程度的损伤.如：在洪水水波循环荷载的作用之前，水库大坝已承受了自重、静水压力等静载；高层建筑在未受到地震、强风荷载等偶然作用时，其要承担自重等永久荷载.所以，全面了解静载历史下混凝土的动态性能是当前的重要任务.20 世纪 KAPLAN1研究了初始静载对混凝土动态抗压强度的影响，即先以低加载速率模拟初始静载加载到一定荷载值，然后以高加载速率加载至混凝土试块破坏.试验结果表明，当初始损伤载荷较小（F1/3fc）时，混凝土的动态强度呈现增大趋势；当初始损伤载荷超过该值时，混凝土的动态强度呈现减小趋势.肖诗云等2针对经历 0、30%、50%和 75%荷载峰值的混凝土试件，利用大型静、动三轴电液伺服试验装置对其进行了单轴动压试验.试验结果表明，当荷载历史小于损伤应力阈值时，荷载历史对混凝土强度影响不大.当荷载历史超过临界值时，混凝土极限抗压强度明显降低.其他学者3 6也进行过相关研究，得出了相似结论.为进一步明确具有静载历史混凝土在高应变率下的动态抗压性能，本研究先通过万能压力机对混凝土试件进行 0、30%、50%、70%和 90%的极限抗压强度预加载，然后利用 SHPB 试验设备对试件进行单次冲击压缩试验，以对比研究损伤条件下混凝土的动态抗压特性，为实际工程的应用提供理论指导.1 试验内容 1.1 试件制作试验制备混凝土强度等级为 C30，水泥使用 P.C32.5R 钻牌复合硅酸盐水泥，粗骨料为直径 515 mm连续级配的碎石，细骨料为细度模数 2.7 的天然河砂，混凝土配合比如表 1 所示.表 1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio强度水泥/kg河砂/kg碎石/kg水/kgC304256251 165205 试验制作长宽高为 100 mm100 mm300 mm的长方体试块，经标准养护达 28 d 后取出并运往试件加工厂，如图 1 所示.经过切割、取芯、打磨制作成最终制作成 75 mm50 mm 试件用于动态冲击试验.为保持试件端面受力均匀，符合“均匀性”假定，将端面平整度严格控制在 0.02 mm 以内.共取 160 块圆柱体试件，如图 1 所示.(a)脱模(b)取芯图 1 脱模及取芯后的混凝土试块Fig.1 Concrete test block after demoulding and coring 1.2 试验方案通过 YAD-2000 试验机对 3 个混凝土试件进行静态压缩实验，其应力应变曲线如图 2 所示，求其平均值获得其静态强度为 29.4 MPa.结合国内外学者的研究成果7 8以及本试验中混凝土试件力学特征，确定预加荷载的幅值分别取混凝土抗压强度（P=29.4 MPa）的 0、30%、50%、70%和 90%，共 5 种工况.按位移控制加载的方式制备初始损伤试件，加载速率为 2 mm/min，加载至目标比例荷载后卸载.00.51.01.52.02.50510152025303540应力/MPa应变/103123图 2 混凝土静态压缩应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens vPvP使用 RSM-SY5 型声波仪的超声波检测技术对预加载的混凝土试件进行损伤检测.引入损伤因子D 来定量评价损伤程度9 10.式（1）中、分别为试件受到损伤前、后的纵波波速，D=1(vPvP)2（1）利用子弹长度为 400 mm 的 SHPB 试验装置对具有荷载历史的混凝土试件进行冲击压缩试验，冲击速度控制在 28 m/s.确保每个相近速度下有 3 次平行试验，据此研究具有荷载历史的混凝土在不同应第 5 期李胜林等：静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究471变率下的动态力学性能.基于弹性应力波在细长杆中的一维传播理论，可用“两波法”（式（2）（4）计算试件的应力、应变和应变率.=AEA0t（2）=2c0l0t0rd（3）=2c0l0r（4）l0rt式中：A、E 分别为杆的横截面积和弹性模量；c0为杆件的弹性波波速；A0、分别为试件的横截面积和长度；、分别为反射和透射应变.1.3 动态应力平衡校验动态应力平衡是混凝土、岩石等脆性材料实现恒应变率加载的首要条件，通过波形叠加可验证SHPB 加载系统的应力平衡状态，可根据式（5）来校验 SHPB 试验的应力平衡问题，I+R=T（5）I、R、T式中分别为入射、反射和透射应力波.在实际校验时可采用相应的入射、反射和透射曲线代替.在研究中根据试验结果，相应地检查了试验数据的应力平衡问题，如图 3、图 4 所示，可以发现，试验结果表现出较好的应力平衡，表明本研究提供的SHPB 试验结果的有效性.2 试验结果及分析 2.1 损伤测量对试件施加不同程度的静载后，混凝土内部会出现微小的裂隙导致波速下降.采用声波测速仪对混凝土试件预加载前后的波速进行测试，按式（1）计算损伤值 D，计算结果如表 2 所示.表 2 静载历史下的损伤值Tab.2 Damage value under static load history编号初始荷载损伤前纵波波速/(ms1)损伤后纵波波速/(ms1)损伤值D10.3P4 3494 3250.011 024 3494 0000.154 134 3494 2740.034 2平均值4 3494 2000.066 440.5P4 3493 5870.319 754 3493 6250.305 264 3493 7580.253 3平均值4 3493 6570.292 870.7P4 3493 2240.450 484 3493 0570.505 994 3493 4140.383 7平均值4 3493 2320.446 7100.9P4 3492 8900.558 4114 3492 9270.547 0124 3492 8150.581 0平均值4 3492 8770.562 2 由表 2 可以看出，经历静载加压历史后，混凝土试块的纵波波速随初始静载的增大出现不同程度的减小.加载静压越大，损伤后纵波波速越小，损伤值D 越大，说明试件内部损伤越严重.本文中默认无静载历史的混凝土试块损伤值 D=0.2.2 破坏形态及过程混凝土试件经过单次或多次冲击，试件的形态有完好、裂纹、破碎成块、粉碎 4 种，具体如图 5 所示.当冲击速度较小时，入射波幅值相对也小，此时试件形态为完好，只是内部发生损伤肉眼观察不到，如图 5(a)所示，试件处于受力的弹性阶段.当速度慢慢增大时，入射波的幅值也随之增大，混凝土试件表面出现了贯穿裂纹并迅速扩展，但此时的试件虽然已 05010015020025030040200204060应力/MPa时间/s入射波反射波透射波图 3 试件动态应力曲线Fig.3 Dynamic stress curves of the specimens 40200204060应力/MPa050100150200250300时间/s透射波入射+反射波图 4 试件动态应力平衡曲线Fig.4 Dynamic stress balance curves of the specimens472北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷出现裂纹却不会散开，如图 5(b)所示.当速度继续增大，入射波幅值继续提升，试件受到的冲击力大大增加，此时混凝土试件内部的骨料和砂浆发生了剪切破坏，如图 5(c).混凝土的破坏往往是一瞬间的，当速度增大到一定程度时，试件飞崩完全粉碎，如图 5(d)，从图中发现试件的破坏主要是骨料的破坏.图 6 为高速摄影仪记录的混凝土试块在冲击过程中开裂破坏状态的部分图片，其最高帧速为 72 fps.提取的系列图片覆盖冲击波经过混凝土试件的全过程，选用 70 帧图片显示了高速冲击过程沿厚度方向的裂缝产生、发展过程，路径相对平直，但由于骨料等因素导致的材料不均质性，裂纹路径出现了一些分叉和偏移，但也存在裂纹穿过粗骨料的现象.(a)第1帧(b)第10帧(c)第20帧(d)第30帧(e)第40帧(f)第50帧(g)第60帧(h)第70帧图 6 高速摄影的部分图片Fig.6 Failure development of concrete specimens at different stress stages 2.3 应力应变曲线特征分析经历不同程度预加载的混凝土试件，通过 SHPB冲击试验得到峰值强度、最大应变、破坏形态等动态力学参数与应变率的关系，如表 3 所示.从表 3 中可以观察到不同程度预荷载的混凝土试件在冲击过程中，应变率、强度、最大应变均随冲击速度的增大而增大，试件状态依次呈现出完好、裂纹、破坏和粉碎 4 种情况.相近冲击速度下，随预加载增大，试件的峰值强度总体减小，最大应变有所增大.除此之外，破坏情况与静载历史有非常紧密的联系.预加载越大，内部损伤越大，在相同冲击速度下，试件破坏程度越严重.建立不同预加载条件下速度与应变率的对应关系，如图 7 所示为线性相关且具有较高的相关系数，表明混凝土试件虽经历了不同程度的损伤，但其微裂隙并不影响应力波在试件内建立起的应力平衡，表明不同损伤程度的混凝土试件可在同一条件下开展结果的对比.根据试验数据得出 5 种工况下混凝土动态受压的应力应变曲线，如图 812 所示.从图中可以看出不同静载历史的试件在相近应变率时的应力应变曲线形状都非常相似.在应变率范围大致在 30(a)完好(b)贯穿裂纹(c)破碎成块(d)粉碎图 5 混凝土在不同冲击速度下破坏情况Fig.5 Damage of concrete at different impact speeds第 5 期李胜林等：静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究47345 s1时，不同预加载的混凝土应力应变曲线在经历直线阶段后，均会出现平台，应力增长缓慢而应变增长较快，混凝土试件进入弹塑性阶段，开始发生塑性变形.当应变率较高时，平台阶段逐渐消失.相同静载历史条件下，随着应变率的增加，混凝土的动态抗压强度、最大应变均随之增大.这是由于胶结材料与骨料的破坏共同构成混凝土的破坏.应变率较小时，主要是混凝土中的水泥砂浆发生贯通破坏，发生破坏的粗骨料较少；应变率较大时，主要是粗骨料破坏，水泥砂浆基体内部的微裂缝来不及充分扩展，所以应变率增加得越大，混凝土骨料发生破坏的程度就越严重.未受预加载作用的试块在应表 3 C30 混凝土的动态力学参数Tab.3 Dynamic mechanical parameters of C30 concrete编号预加荷载速度/(ms1)应变率/s1峰值应力/MPa最大应变/106破坏情况102.6637.6039.413 842.48完好23.4151.4953.394 774.10裂纹34.6079.8760.669 463.14破碎45.4184.3364.7711 369.67破碎56.4697.1777.4913 425.99粉碎66.94108.4898.3114 593.85粉碎77.54124.7685.0218 919.13粉碎80.3P1.7819.3829.862 307.94完好93.3144.4751.844 436.33裂纹104.1965.5450.358 129.50裂纹115.0386.5262.7910 125.20破碎125.6581.4168.9410 534.34破碎136.71105.9972.2715 953.95粉碎147.17113.9598.5215 645.17粉碎157.67132.3585.2019 028.62粉碎168.07150.2687.5022 445.19粉碎170.5P1.2412.9317.571 438.42完好182.4241.9523.354 822.46完好193.3756.9941.726 811.13裂纹203.9462.3651.467 500.12裂纹214.8780.0266.839 675.33破碎225.2181.8963.2810 909.40破碎236.60104.1173.8615 182.73粉碎247.57124.5277.3019 404.05粉碎250.7P1.5828.2422.403 048.64完好262.4642.1935.504 753.49完好273.5955.5650.395 919.57裂纹284.7066.0056.008 436.80破碎295.0881.9761.6410 754.53破碎306.74100.1184.4515 065.28粉碎317.75130.3582.4420 767.73粉碎320.9P2.6642.5042.654 102.27完好333.6059.0441.417 393.42裂缝344.8576.7760.049 753.95破碎355.95101.2175.0213 688.23破碎367.05126.5578.8117 040.09粉碎377.50132.9775.6020 588.62粉碎 012345678910020406080100120140160F=0.3 PF=0.5 PF=0.7 PF=0.9 P应变率/s1速度/(ms1)F=0 图 7 冲击速度与应变率的对应关系Fig.7 Relationship between impact velocity and strain rate 00.0040.0080.0120.0160.020102030405060708090100应力/MPa应变43.39 s165.22 s186.68 s196.23 s1118.59 s1图 8 预加载 F=0 时混凝土的应力应变曲线Fig.8 Stress-strain curve of concrete at initial load F=0 0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0141020304050607080应力/MPa应变38.53 s165.54 s172.39 s181.41 s10图 9 预加载 F=0.3P 时混凝土的应力应变曲线Fig.9 Stress-strain curve of concrete at initial load F=0.3P474北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷变率为 118.59 s1时，其动态峰值应力为 89.5 MPa，高出预加载 F=0.5P 试件峰值应力约 5.6%；预加载 F=0.3P 试件在应变率为 81.41 s1时，其动态峰值应力为 69.2 MPa，高出相同应变率条件下预加载 F=0.9P试件峰值应力约 24.8%.由于初始静载会造成试件内部产生裂纹造成损伤，导致混凝土抗压性能下降.所以在相近应变率范围内，当预加载值增大时混凝土的动态应力应变曲线上升段斜率下降，即动态弹性模量减小.2.4 强度的应变率效应由于混凝土强度的应变率效应，故引入动态强度增长因子 DIF 即混凝土动态抗压强度与静态抗压强度的比值，进一步研究应变率对静载历史混凝土动态抗压强度产生的影响.30 s1DIF=s(/s)13s=10(6.156s2.0)s=1/(5+9fcs/fc0)s=30106s1fc0=10MPafcsfcd目前，大量学者关于动态增长因子提出了表达式.其中 CEB11标准被广泛接受用来描述混凝土抗压强度的应变率效应.当应变率时，其中和分别为静态抗压强度和动态抗压强度.以此为基础将具有静载历史混凝土动态抗压强度的应变率效应按式(6)进行拟合，根据实验结果得出不同预加载混凝土抗压强度与应变率的关系式为fc=(c)（6）fc c式中：为当前应变率下的损伤混凝土动态抗压强度；为当前的应变率；、为试验的材料系数，通过对试验结果的拟合得到.不同预加荷载情况下拟合关系如表 4 所示.表 4 动态抗压强度与应变率的拟合关系Tab.4 Fitting relationship between dynamic compressivestrength and strain rate预加荷载拟合参数相关系数04.595 880.608 660.887 760.3P4.486 150.608 450.878 340.5P4.247 430.614 840.838 980.7P3.444 330.653 100.808 860.9P3.862 080.621 240.844 80 根据图 13 可以发现，应变率与经历不同预加载 00.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018102030405060708090应力/MPa应变37.60 s144.24 s170.30 s195.70 s1113.80 s1图 10 预加载 F=0.5P 时混凝土的应力应变曲线Fig.10 Stress-strain curve of concrete at initial load F=0.5P 应力/MPa00.0020.0040.0060.0080.0100.01210203040506070应变 28.24 s1 33.73 s1 48.71 s1 66.00 s1 70.77 s1图 11 预加载 F=0.7P 时混凝土的应力应变曲线Fig.11 Stress-strain curve of concrete at initial load F=0.7P 00.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014102030405060应变45.55 s153.40 s181.53 s1应力/MPa图 12 预加载 F=0.9P 时混凝土的应力应变曲线Fig.12 Stress-strain curve of concrete at initial load F=0.9P F=0.3 PF=0.5 PF=0.7 PF=0.9 P1009080706050403020应力/MPa应变率/s1020406080100120140160F=0 图 13 预加载混凝土动态抗压强度与应变率的关系Fig.13 Relationship between dynamic compressive strength and strain rateof concrete at initial load第 5 期李胜林等：静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究475的混凝土动态抗压强度有紧密联系.不同预加载的混凝土动态抗压强度与应变率的关系均可用幂函数来表示，拟合度较高.根据幂函数的数学表达规律，结合拟合参数与试验条件可以看出，基本保持不变，在曲线上表现为各工况下曲率基本相同，表明不同预加载条件下的动态抗压强度与应变率的走向基本一致；而 随着预加荷载的增大而减小，表现为随着预加荷载的增大曲线整体下移，表明相同应变率条件下，混凝土试件的动态抗压强度随预加荷载的增大而减小.说明混凝土内部的损伤情况越小，混凝土试件对外部的冲击抵抗能力也就越强.随着应变率的增长，具有预加载混凝土的动态抗压强度随之增强.对比发现相同应变率下，预加载会导致混凝土动态抗压强度的下降，按整体平均计算，以未施加预加载的工况为标准组，当预加载 F=0.3P 时，动态强度整体下降 2.56%；当预加载 F=0.5P 时，动态强度整体下降 5.28%；当预加载 F=0.7P 时，动态强度整体下降 8.25%；当预加载 F=0.9P 时，动态强度整体下降11.39%.以混凝土强度保证率 95%为分界点，可得预加荷载对动态强度的影响存在一个分界点.当预加载在 F0.3P 时，混凝土内部裂纹增多，损伤加重.不同静载历史混凝土动态应力应变曲线走势大体一致.随着预加载的增大，相同应变率下的弹性模量有所降低，最大应变增加.不同静载历史混凝土的动态抗压强度都具有明显的应变率敏感性，均与应变速率呈幂函数关系；相同应变率时，预加载的增加会造成混凝土的动态抗压强度的下降，但是其影响存在分界点.当预加载在 F0.5P 以下时，影响比较小；当预加载在 F0.5P以上时，影响显著.参考文献：KAPLAN S A.Factors affecting the relationship between rateof loading and measured compressive strength of concreteJ.Magazine of Concrete Research,1980,32(111):79 88.1 肖诗云,张剑.荷载历史对混凝土动态受压损伤特性影响试验研究J.水利学报,2010,41(8):943 952.XIAO Shiyun,ZHANG Jian.Experiment study on effect ofload histories on dynamic compressive damage behaviors ofconcreteJ.Journal of Hydraulic Engineering,2010,41(8):943 952.(in Chinese)2 闫东明,林皋.不同初始静态荷载下混凝土动态抗压特性试验研究J.水利学报,2006,37(3):360 364.YAN Dongming,LIN Gao.Study on dynamic compressiveproperties of concrete with different loading pathsJ.Journalof Hydraulic Engineering,2006,37(3):360 364.(in Chinese)3 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