不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究

范向前，胡少伟,，陆　俊，陈启勇

(1.南京水利科学研究院，南京　210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京　210098；3.河海大学 力学与材料学院，南京　210098)



不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究

范向前1,2，胡少伟1,2,3，陆俊1,2，陈启勇3

(1.南京水利科学研究院，南京210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098；3.河海大学 力学与材料学院，南京210098)

利用MTS-NEW810动态试验机，通过对30根混凝土棱柱体试件施加应力幅值为1 kN到5 kN、频率为5 Hz、应变速率为10-4/s的5组不同循环荷载，研究不同初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸特性的影响。研究结果表明，遭受初始损伤程度越严重，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏断面越整齐，且破坏断面粗骨料被拉断数目越少；随着初始损伤程度的增加，混凝土棱柱体试件逐渐产生有不可恢复变形，随着损伤程度的增加，不可恢复变形的增幅明显增大；初始损伤程度对混凝土棱柱体试件动态拉伸应力应变关系曲线上升段影响较小；混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度和峰值应变均受初始损伤程度影响不大。

混凝土；循环荷载；初始损伤；轴向拉伸；动态试验

混凝土结构在其工作过程中，除了承受静荷载的作用外，还要承受动荷载的作用。例如地震荷载作用、动水压力、海浪冲击、驳船撞击、车辆碰撞等，均会使混凝土以高于静态许多量级的应变速率变形，且研究表明混凝土动态力学性能与静态力学性能之间有明显差异[1-2]，由于这些荷载的破坏性比较大，往往成为结构设计过程中的控制因素。因此，分析混凝土结构在动荷载作用下的力学响应成为一项十分重要的工作。

相关学者，针对混凝土材料在不同条件下的动态力学性能，已经开展比较多的研究工作。尚仁杰等[3-4]对循环拉伸荷载作用下混凝土的力学行为进行了研究，提出了描述在加卸载过程中的应力-应变曲线方程；聂良学等[5]研究了不同温度及加载速率下混凝土冲击变形韧性，研究指出同一加载速率下温度升高使得混凝土峰值应变及流动应变增大、冲击韧性降低。闫东明等[6-8]对混凝土在循环压缩荷载作用下的强度和变形特性进行了研究；YANTKELEVSKY等[9-10]进而研究了在拉压循环荷载作用下的混凝土的动态力学行为；BUYUKOZTURK等[11]研究了双轴循环荷载作用下混凝土的特性；LI等[12-13]对三轴循环荷载作用下混凝土的力学性能进行了探讨；李敏等[14]通过试验与数值研究了地震作用范围内加载速率对钢筋混凝土梁影响，建立了钢筋混凝土梁计算模型，考虑钢筋、混凝土率敏感性，对梁试件在不同工况下动态性能进行了数值模拟；MANDER等[15]对不同配筋类型的钢筋混凝土试件进行单调加载和循环加载，并初步考虑了应变速率的影响。在实际工作中，除上述混凝土结构的荷载作用方式外，多数为遭受不同初始损伤之后的动态破坏现象。因此，在充分考虑混凝土结构实际荷载响应特点的基础上，研究混凝土的力学性能具有重要工程意义。

抗拉强度对于混凝土的抗裂性能起着重要作用。对于大坝等重要混凝土建筑物，混凝土大坝主要表现为受拉出现裂缝，发生应力重分布，使大坝的承载能力降低[16]。到目前为止，尚没有发现有考虑动态循环损伤之后，混凝土动态轴向拉伸力学性能的文献，有必要对其进行相关研究。

应变率对混凝土特性的影响虽然在某些方面已经达成了一定程度的共识[17]，但是可以利用的试验数据依然有限，并且由于试验方法、荷载加载方式、试验原理、试验设备的不同以及混凝土试件的离散性，导致试验结果相差较大，混凝土动力特性研究的滞后已成为公认的结构动力分析的“瓶颈”[18]。为此，本文通过初始损伤加载，旨在研究遭受不同初始损伤后，混凝土动态轴向拉伸力学性能，这对工程实践将有较重要的实际意义，并可为进一步了解混凝土动态轴向拉伸特性的产生机理提供必要的试验依据，进一步指导实际工程。

1　试验设计

试验设计5组25根相同棱柱体混凝土试件，混凝土试件初始设计强度等级为60 MPa，由规格为P.Ⅱ 52.5的水泥、粉煤灰、中砂、碎石、水及外加剂JM-8拌制而成，采用100 mm×100 mm×510 mm的模具一次性浇筑完成，为了保证混凝土试件在轴向拉伸过程中荷载值不偏离试件的中心轴，试件浇筑之前，在每个钢模板两端分别预先埋置一根直径为20 mm的钢筋，并将其与混凝土浇筑在一起，24 h脱模后，在实验室内盖上麻布定期洒水养护至28天。所有试验均在南京水利科学研究院MTS-810NEW液压伺服试验机上完成。

采用试验室特制的转动连接件将混凝土试件与MTS试验机连接一起，实现试验过程中的轴向拉伸。以试件中心位置为对称轴，放置一台标距为250 mm，测量范围为+2.5 mm～-2.5 mm的大型夹式引伸计[19]，将夹式引伸计接入MTS试验机采集系统中，实现荷载与应变的同步采集，试验装置如图1所示。

2　试验方案

考虑到地震荷载所对应的应变速率为10-3/s ～10-2/s，本次试验具体加载方案如图2所示。

首先采用拟静态应变速率1×10-4/s将试件加载到5 kN，荷载在5 kN处稳定15 s后，通过应力幅值(1 kN～5 kN)、频率(5 Hz)的循环荷载现实混凝土遭受不同初始损伤，本次试验设计循环荷载次数包括1 000 次、2 000 次、5 000 次、10 000 次和20 000 次共计5种情况，经过循环加载之后，以地震荷载对应的动态应变速率1×10-3/s，对混凝土棱柱体试件进行动态轴向拉伸至试件断裂破坏，从而研究不同初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸的影响。

图1　试验装置图Fig.1　The experimental set-up

图2　不同初始损伤动态轴向拉伸试验加载方案Fig.2　Thedynamic axial tensile test programs on different initial damage of concrete

鉴于动态试验过程难免存在有一定误差，为更加真实地反映试验结果，不同初始损伤对应混凝土轴向拉伸试件数不少于5个，剔除偏离均值较大(±15%以外)的试验结果，且满足有效试验数据不少于3个。除试验结果为评判试验成功与否的标准外，试件最终断开位置也是评判试验成功的一个重要标准，断开位置偏离试件中点10 cm以上的试件，即便试验结果较好，数据处理过程中，仍然将其剔除。

3　试验结果与分析

3.1试验现象

如图3所示，由不同初始损伤混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏试验照片可知，经过相同应力幅值、相同频率，不同初始损伤后，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏试验现象表现出一定差异。

初始损伤程度的不同，对混凝土棱柱体试件破坏断面影响不尽相同，具体表现为：损伤程度越严重，即初始循环次数越多，混凝土破坏断面越整齐，破坏断面处粗骨料数目相对越少。

初始循环次数较少时，混凝土遭受初始损伤程度相对较轻，当采用动态荷载进行轴向拉伸破坏时，试件破坏断面砂浆与骨料结合部面的微裂纹来不及充分扩展，断裂面通过粗骨料而发生破坏；当初始循环次数较多时，混凝土遭受初始损伤程度相对加重，混凝土断裂破坏面形成了一个相对薄弱的部位，此时，采用动态荷载进行轴向拉伸破坏试验时，微裂纹相互贯通并发展至整个断面，破坏断面被拉断的粗骨料数明显减小。

图3　不同初始损伤混凝土轴向拉伸试件破坏照片Fig.3　Theaxial tensile specimen damage photos on different initial damage of concrete

3.2应力应变关系曲线

不同初始损伤混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸典型应力应变关系曲线如图4所示。

由图4可知，随着初始循环荷载次数的增加，尽管荷载值处在1 kN～5 kN之间，而没有增加，但是混凝土棱柱体试件拉伸应变却不回到零点，且距离零点越来越远，说明在循环荷载反复作用过程中，棱柱体试件中的微裂缝有所发展，导致不可恢复变形的发生。并且，随着初始荷载循环次数的增加，不可恢复变形的幅值也逐步增加，因此，在混凝土结构设计中，初始损伤产生的永久变形对混凝土材料地震响应的影响应引起足够重视。

图4　循环荷载后混凝土轴向拉伸试件应力应变曲线Fig.4　The axial tensile stress-strain curve of concrete after cyclic load

经过初始循环荷载，混凝土进入动态轴向拉伸破坏阶段后，棱柱体试件典型应力应变关系上升段如图4所示曲线部分。

对比动态轴向直接拉伸试件应力应变关系曲线[19]，经过初始损伤之后的混凝土动态拉伸，其棱柱体试件应力应变关系曲线上升段变化规律基本一致。即，应力应变关系曲线经过光滑的直线段之后，应力增加相对缓慢，而应变迅速增加，由于混凝土材料的准脆性，达到最大应力值之后，试件被迅速拉断破坏，混凝土棱柱体试件动态破坏应力应变曲线的下降段难以采集。

3.3轴向拉伸强度

不同初始损伤混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度曲线如图5所示，经过不同初始循环次数之后，即遭受不同初始损伤后，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏强度值变化不大。

图5　不同初始损伤混凝土轴向拉伸强度曲线Fig.5　Theaxial tensile strength curve on different initial damage of concrete

对图5进行分析发现，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏强度值在3.4 MPa和4.0 MPa之间，而本文试验设计循环应力幅值为[0.1 MPa，0.5 MPa]，相对于混凝土试件动态破坏强度值，循环荷载最大值仍小于试件破坏强度的15%，另外，本文循环次数为[1 000 次，20 000 次]，因此，无论是循环荷载变化范围，还是循环次数，相对于棱柱体试件破坏强度均较小，即本文所设计初始损伤程度对棱柱体试件影响较小，从而，试验设计条件下，初始损伤对混凝土棱柱体试件动态破坏强度值影响较小。鉴于本文试验结果，后续试验中，应充分考虑混凝土试件动态破坏强度值，并适当增加循环次数和循环应力幅值，进一步研究初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度的影响。

3.4峰值应变

不同初始损伤与混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸最大强度值对应应变的关系曲线如图6所示。

图6　不同初始损伤混凝土轴向拉伸峰值应变曲线Fig.6　Theaxial tensile peak strain curve on different initial damage of concrete

鉴于本文试验设计条件，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度受初始损伤影响较小，因此，轴向拉伸强度峰值所对应的应变值(峰值应变)受初始损伤程度影响也较小。尽管图6中，混凝土峰值应变与初始循环次数关系曲线有一定的波动，但是，整体变化不大，且没有明显规律，进一步说明，本文设计初始损伤程度对混凝土棱柱体轴向拉伸破坏试验结果影响不大。

4　结　论

经过应力幅值为1 kN到5 kN、频率为5 Hz，次数为1 000 次、2 000 次、5 000 次、10 000 次和20 000 次的循环荷载，以动态应变速率1×10-3/s加载至混凝土棱柱体试件破坏，可以得到以下结论：

(1)初始循环荷载次数越多，即初始损伤程度越严重，混凝土棱柱体动态破坏断面越整齐，且破坏断面粗骨料被拉断数目越少。

(2)随着循环荷载次数的增加，混凝土棱柱体试件中微裂缝有所发展，并产生有不可恢复变形，随着循环次数的增加使得不可恢复变形的增幅明显增大。

(3)初始损伤程度对混凝土棱柱体试件动态拉伸应力应变关系曲线上升段影响较小。

(4)本文试验设计初始损伤程度相对较小，试验结果表明初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度值和峰值应变均影响不大。后续试验中，初始损伤程度的设计应充分考虑混凝土试件动态拉伸强度值。

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Dynamic axial tensile tests of concrete with different initial damages

FAN Xiangqian1,2,HU Shaowei1,2,3,LU Jun1,2,CHEN Qiyong3

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098，China；3.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098，China)

In order to study the effects of different initial damage’s on the dynamic axial tensile strength of concrete,tests were conducted with 5 groups of concrete prism specimens under conditions of the same initial load amplitude range (1 kN to 5 kN),the same frequency (5 Hz),the same strain rate(10-4/s),and different loading cycles,by using an advanced MTS-NEW810 dynamic testing machine.The results showed that when the initial damage level of concrete prisms incredses,their fracture sections are more smooth and the numbers of broken coarse aggregates are less; with increase in initial damage level,some irreversible deformations appear in concrete specimens,and irreversible deformations increase obviously; the initial damage level doesn’t obviously affect the rising part of stress-strain relationship curves of concrete specimens,the initial damage level has little influence on their dynamic axial tensile strengths and peak strains as well.

concrete; cyclic loading; initial damage; uniaxial tension; dynamic test

国家杰出青年科学基金(51325904)；国家自然科学基金(51279111;51309163;51409162)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20140081)

2015-07-15修改稿收到日期：2015-08-20

范向前 男，博士，高级工程师，1982年4月生

胡少伟 男，博士，教授，博士生导师，1969年2月生

E-mail:hushaowei@nhri.cn

TV331；TU317.1

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.17.020