全级配混凝土弯拉试件动态力学性能试验研究

李春雷，王海波，李德玉，涂 劲，钟 红

（中国水利水电科学研究院，北京市 100048）

0 引言

随着我国西部大开发的深入进行，高烈度地震区规划设计了一批 300m 级高拱坝，高拱坝抗震安全成为需要高度关注和亟待解决的关键技术难题[1-2]，而作为高坝抗震安全设计与评估的最基本的大坝混凝土的力学性能研究显得尤为重要。

大坝混凝土一般采用三级配或四级配骨料，最大骨料粒径为150mm，试件最小断面尺寸应不小于3倍最大粒径（450mm）。由于试件尺寸大，对试验设备要求很高，全级配混凝土力学性能试验较为困难。

通常对大坝混凝土的力学研究主要采用湿筛法，无法真实反映实际大坝混凝土的性能指标，从而给大坝设计和施工的科学性和安全性均会带来较大的影响[3-4]。

由于混凝土材料抗压强度远高于抗拉强度，因此全级配混凝土抗拉强度是高拱坝抗震安全评价中考虑的主要指标。由于大坝混凝土受拉主要为剪切受拉和弯曲受拉，一般认为劈拉强度和弯拉强度更能反应大坝混凝土实际受力状态。由于劈拉试验视强度需要从试验获得的应力应变曲线的直线段延伸间接获得，因此，本文将依托先进的15MN大型动态材料试验机，对全级配混凝土试件进行弯拉试验，同时考虑地震的循环反复作用，研究全级配混凝土在弯拉情况下力学行为。

1 全级配混凝土弯拉试验基础条件

1.1 15MN大型动态材料试验机

15MN大型动态材料试验机如图1所示，具体参数如下[5-6]：

（1）机架总高大约8200 mm，水平试验空间（立柱内侧间距）宽为2500mm。

（2）额定载荷能力：15MN压向力（做动器延伸），8MN拉向力；行程：±300mm（总共600mm）。

（3）15MN和2.5MN两种传感器用于载荷测量和控制；15MN压差传感器在2.5～15MN之间，测量误差小于示值的±0.5%，示值变动度小于示值的±0.1%；2.5MN载荷传感器在10%～100%的量程范围内，传感器测量误差小于示值的±0.5%，示值变动度小于示值的±0.1%。

（4）249.51铰接座组件，额定力值±1000kN，旋转角度为+90°或-30°，倾斜角度±8°，可静态和循环测试使用，重量约510kg。

图1 15MN大型动态材料试验机Figure 1 The 15MN large-scale dynamic material testing system

（5）试验机工作频率范围：0.001～10.0Hz，机架和做动器在以上工作频率范围内不发生共振。

1.2 全级配弯拉试件制备及专用试验夹具

混凝土采用四级配混凝土，按照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006），全级配混凝土弯拉试件的尺寸为1700mm×450mm×450mm，如此大尺寸的试件没有标准的模具和试验夹具可用，因此，中国水利水电科学等研院抗震中心专门设计了全级配混凝土试件模具和弯拉试验夹具。弯拉试验夹具采用双点加荷钢制加压头，能够将两个相等的荷载同时作用于试件的两个三分点处，两个支座和两个压头能前后倾斜。同时还可以实现弯拉试件往复加载，能够模拟地震波反复周期加载的特点。

1.3 全级配弯拉试验量测系统

MTS 15MN大型动态材料试验机采集系统采样频率可达6144Hz，为捕捉全级配混凝土破坏瞬间的应力应变曲线奠定了极好的硬件条件。

目前在全级配混凝土试验通常采用外部引伸计来测量试件受力过程中的变形。精度高的外部引伸计价格昂贵，影响其安装数量，同时为避免损坏，不适宜用于试件破坏阶段测量。应变片成本较低，布置方便，通过提高电阻和激励电压可以获得很高的精度，而且可以测量试件破坏阶段的变形。因此，应变测量是全级配混凝土试验中的一项重要手段。

中国水利水电科学等研究院抗震中心专门设计了适合全级配混凝土试验的应变片，应变片长150mm，阻值为350Ω，测量精度可达0.5microstrain（微应变）。

2 全级配混凝土弯拉试验方案

2.1 单向静载、单向动载加载方案

为研究动载对强度提高的影响，用力控制方式按0.45kN/s的加载速率（对应应变率量级为10-6）进行单向静载试验。用2400kN/s加载速率（对应应变率量级为10-3）进行单向动载试验。同时为研究预静载对弯拉动强度提高的影响，设计了30%预静载+动载和60%预静载+动载两种工况。

2.2 单向三角波循环荷载加载方案

用单向变幅三角循环波加载试验研究全级配混凝土在反复受拉的循环荷载作用下的力学行为。

动态加载采用力控制模式，初次加载力的幅值为80kN，加载频率为2Hz（对应应变率量级为10-4），3个循环为一组。以后每组加载力幅值增加80kN，直至试件破坏。

2.3 双向三角波循环静载及动载加载方案

用变幅三角循环波加载来模拟地震作用，研究全级配混凝土在拉压交变荷载作用下的力学行为。为研究全级配混凝土的动态率效应，采用静态和动态两种加载方式。

静态加载采用位移控制模式，初次加载力的目标幅值为70kN，静态加载（频率为0.0067Hz），3个循环为一组。以后每组加载力幅值增加70kN，直至试件破坏。

动态加载初次加载力的幅值为80kN，加载频率为2Hz，3个循环为一组。以后每组加载力幅值增加80kN，直至试件破坏。加载波形如图2所示。

图2 三角波循环荷载加载方案Figure 2 The triangular wave cyclic loading

2.4 应变测点布置方案

全级配混凝土骨料最大粒径为150mm，应变测量标距应不小于三倍的骨料最大粒径，因此试件纵向的拉伸或压缩变形均通过3个应变片首尾搭接来测得，有效标距为450mm。

在全级配弯拉试件顶面、底面分别粘贴6个150mm应变片，在两个侧面上分别粘贴9个150mm应变片。全级配混凝土弯拉试验应变测点布置如图3示。安装后的全级配混凝土弯拉试件如图4所示（图中尺寸单位均为mm）。

图3 全级配混凝土弯拉试验应变测点（a）试件顶面与底面；（b）试件侧面Figure 3 The strain measurement points of full-grade concrete under flexural-tensile test

图4 全级配混凝土弯拉试验照片Figure 4 The picture of full-grade concrete under flexural-tensile test

3 全级配混凝土弯拉试验数据分析

3.1 单向静载、单向动载下全级配混凝土弯拉强度

完成了单向静载试验4个，单向动载试验5个，30%预静载+动载工况试验3个，60%预静载+动载工况试验3个，试验结果见表1。

表1 单向静载、动载下全级配混凝土弯拉强度Table 1 The bending strength of full-grade concrete under the unidirectional static and dynamic loading

从表1可以看出，单向动载作用下的弯拉强度比静态弯拉强度提高1.611倍（本文中的动态提高系数均以静态弯拉强度为基准）。

30%预静载的情况下，动态弯拉强度较静态弯拉强度提高1.517倍；60%预静载的情况下，动态弯拉强度较静态弯拉强度提高1.562倍。两种预静载情况下动态弯拉强度提高倍数均小于没有预静载的动态弯拉强度，说明预静载的存在，降低了全级配混凝土动态弯拉强度的提高能力。但在60%预静载要比30%预静载动态弯拉强度略高。由于试验数据有限，适当提高预静载对动态弯拉强度的影响还需进一步研究。

3.2 单向循环荷载下全级配混凝土弯拉强度

完成了单向循环弯拉试验4个，试验结果见表2。

表2 单向循环荷载下全级配混凝土弯拉强度Table 2 The bending strength of full-grade concrete under the unidirectional cyclic loading

从表2可以看出，单向循环动载作用下的弯拉强度比静态弯拉强度提高1.531倍，小于单向动态弯拉强度，说明循环荷载降低了全级配混凝土动态弯拉强度的提高能力。

3.3 双向循环荷载作用下全级配混凝土弯拉强度

完成了双向静态循环弯拉试验3个，双向动态循环弯拉试验5个，结果见表3。

表3 双向循环荷载下全级配混凝土弯拉强度Table 3 The bending strength of full-grade concrete under the bidirectional cyclic loading

3.4 双向循环荷载作用下全级配混凝土弯拉应力—应变曲线

双向静态循环荷载作用下的全级配混凝土弯拉试件底部中间均匀受力区应力—应变如图5～图9所示。

图5 双向循环静载应力应变曲线Figure 5 The stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

图6 双向循环静载第1阶段应力应变曲线Figure 6 The phase 1 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

图7 双向循环静载第2阶段应力应变曲线Figure 7 The phase 2 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

图8 双向静载第3阶段循环应力应变曲线Figure 8 The phase 3 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

从图5～图9中可以明显看出，双向三角波循环静态弯拉试验中，混凝土材料及微裂缝受力变形充分，即使在1MPa左右的低应力区，每次拉压循环之间也出现了几个微应变水平的不可恢复变形，拉压弹模比较接近，未出现明显弹模降低现象。

图9 双向静载第4阶段循环应力应变曲线Figure 9 The phase 4 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic static loading

随着应力水平的提高到2MPa左右，应力—应变曲线图中的受拉曲线出现软化现象，受拉区滞回曲线面积大于受压区，说明混凝土微裂缝进一步开展并出现更多的不可恢复塑形拉伸变形。

当应力水平的提高到3MPa左右，全级配混凝土抗拉弹模进一步降低现象，应力—应变曲线图中的受拉区滞回曲线面积明显大于受压区，说明混凝土受拉出现更多不可恢复塑形变形。此时应力—应变曲线图中的受压区时的裂缝则在较高应力水平向趋于稳定，在相同荷载水平的三次循环中基本保持不变。同时，从图8可以看出，在1MPa压应力区附近，应力—应变曲线的斜率无论恢复阶段还是压缩阶段都出现了较为明显的改变，此时试件的变形也恢复到0附近，说明保持一定的压应力使得裂缝闭合有助于混凝土的压缩模量的恢复。

从图9中可以明显看出，全级配混凝土达到弯拉强度后，变形发展迅速，应力—应变曲线图中的受拉区滞回曲线面积远大于受压区。此时，3MPa的压应力也不能使裂缝完全闭合。

双向三角波动态循环荷载作用下的全级配混凝土弯拉试件应力—应变如图10～图14所示。

图10 双向循环动载应力应变曲线Figure 10 The stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

图11 双向循环动载第1阶段应力应变曲线Figure 11 The phase 1 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

图12 双向循环动载第2阶段应力应变曲线Figure 12 The phase 2 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

从图10～图14中可以明显看出，双向三角波循环动态弯拉试验中，由于荷载施加迅速，混凝土材料及微裂缝受力变形不充分，即使达到2MPa左右，每次拉压循环之间也未出现了较大的不可恢复变形，拉压弹模比较接近，未出现明显弹模降低现象。尤其是应力—应变曲线图中受压区，受压区每次循环的应力应变曲线几乎完全重合，说明压缩时基本未出现损伤。

随着应力水平的提高到3MPa左右，应力—应变曲线图中受拉区曲线出现软化现象，曲线中受拉区滞回曲线面积略大于受压区。

图13 双向循环动载第3阶段应力应变曲线Figure 13 The phase 3 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

图14 双向循环动载第4阶段应力应变曲线Figure 14 The phase 4 stress-strain curve of under the bidirectional cyclic dynamic loading

当应力水平的提高到4MPa左右，全级配混凝土抗拉弹模进一步降低现象，应力—应变曲线图中受拉区滞回曲线面积明显大于受压区，说明混凝土受拉区的出现更多不可恢复塑形变形。从图14也可以看出，在1MPa压应力区附近，应力—应变曲线的斜率无论恢复阶段还是压缩阶段也出现了较为明显的改变，结合图8的情况，说明在保持一定的压应力使得裂缝紧密闭合有助于混凝土的压缩模量的恢复。

由于动态加载下弯拉试件突然脆性破坏，5个双向三角波动载试验均未获得破坏后的循环阶段。

4 结束语

（1）本次试验研究表明：单向动载作用下（应变率10-3）的弯拉强度比静态弯拉强度提高1.611倍，提高幅度超过了50%。

（2）预静载的存在，降低了全级配混凝土动态弯拉强度的提高能力。但在60%预静载要比30%预静载动态弯拉强度略高。由于试验数据有限，适当提高预静载对动态弯拉强度的影响还需进一步研究。

（3）拉压交变荷载作用较单纯受拉循环荷载作用相比，拉压交变荷载作用更容易加速了混凝土损伤的发展。

（4）低速拉压循环荷载与快速拉压循环荷载相比，低速拉压循环荷载更容易是混凝土材料产生破坏。