等幅循环加载历史后混凝土动态特性试验.pdf

第 3 5卷第 2期 2 0 1 3年 2月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 5 No 2 F e b ，。 2 01 3 【 水利水 电工程 】 等幅循环加载历史后混凝土动态特性试验 谢玖杨 ， 彭 刚 ， 胡海蛟 ， 贺 誉 ( 三峡大学 土木 与建筑 学院， 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 对经历不同频率( 0 、 0 5 、 2 0 H z ) 循环加载历史后的混凝土进行了不同应 变速率( 1 0 一、 1 0 、 1 0 I 3 s ) 下的单轴 压缩试验 ， 研究了循环加载历史下不同循环频率对混凝土峰值应力、 峰值应变、 弹性模量的影响。研究结果表 明： 混凝土 的峰值应力随着应变速率的提 高而增大， 随着循环频率的提 高先增大后减小； 混凝土的峰值应变随着应变速率的提高而 增大， 随着循环频率的提高而减小； 混凝土的弹性模量随着应变速率的提高总体变化规律不明显， 随着循环频率的提 高 先增 大后 减小。 关键词 ：混凝土 ；应 变速率 ；循环加载历 史；动 态特性 中图分类号 ：T V 4 3 1 ； T U 3 7 5 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 2 0 3 9 Exp e r i me n t a l S t ud y o n Dy n a mi c Be ha v i o r s o f Co nc r e t e Du e t o Co ns t a n t Amp l i t u de Cy c l i c Lo a di ng Hi s t o r y X I E J i u y a n g ，P E N G G a n g ， HU H a l j i a o ， H E Y u ( C o l l e g e o f C i v i l &A r c h i t e c t u r e ， C h i n a T h r e e G o r g e s U n iv e r s i t y ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e c o n c r e t e w a s a t f i r s t t r e a t e d t h r o u g h c y c l i c l o a d i n g h i s t o r y o f d i f f e r e n t c y c l e fr e q u e n c i e s( 0， 0 5 a n d 2 0 Hz ) ， a n d t h e n t h e d y n a m- i c u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t s we r e p e r f o r me d u n d e r d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s 1 0 1 0一 a n d 1 0 s T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t c y c l e f r e q u e n c i e s o n t h e p e a k s t r e s s ，p e a k s t r a i n 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 we r e s t u d i e dTh e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f s t r a i n r a t e a n d p r e s e n t s a fi r s t i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s t r e n d wi t h t h e i n c r e a s e o f c y c l e fre q u e n c y；t h e p e a k s t r a i n o f c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f s t r a i n r a t e a n d d e c r e a s e s wit h t h e i n c r e a s e o f c y c l e fre q u e n c y；t h e c o n c r e t e e l a s t i c mo d u l u s d o n o t c h a n g e o b v i o u s l y i n g e n e r a l wi t h t h e i n c r e a s e o f s t r ain r a t e，b u t i t p r e s e n t s a fi rst i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s t r e n d wi t h t h e in c r e a s e o f c y c l e fre q u e n c y Ke y wo r d s ：c o n c r e t e；s t r a i n r a t e s ；c y c l i c l o a d i n g h i s t o r y；d y n a mi c c h a r a c l e r i s t i c 在道路桥梁 、 海洋平台及水坝等诸多工程中， 混凝土结构 或构件除承受静荷载外 ， 还经常承受随机波浪力 、 车辆荷载、 周 期性水压力及地震力等反复荷载的作用 ， 这些反复荷载会使建 筑物 出现不 同程度 的疲 劳损伤 破坏 。国 内外学 者在荷 载历 史 影响混凝土动 态特性 研究 方 面取得 了一 些成 果 J 。笔者 研 究了循环加载历史下循环频率对混凝土动态受压特性的影响， 并与无加载历史 下的情况 进行了对 比。 1 试验过程 1 1 试验设备 试验在 三峡 大学 和长 春市 朝 阳试 验仪 器有 限公 司联 合研 制生产的 1 0 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪 上进行。该 系统有 3个独立的油缸 ， 施加 3个相互垂直的荷 载， 竖向最大出力中动力 、 静力分别为 5 0 0 0 、 1 0 0 0 0 k N， 侧面水 平向最大出力双向均为 5 0 0 0 k N。试件在每个方向的位移都 是由高精度电感式传感器测得 ， 测量精度可达 1 0 m m。该仪 器能满足该次试验的各项要求。 1 2 试 件 制备 制备 1 5 0 m m( 直径) 3 0 0 mm( 高) 的圆柱体试件 ， 龄期为 8 1 0 d 。所用水泥为宜 昌花林水 泥有 限公 司生 产 的强 度等级 为 4 2 5级的普通硅酸盐水泥， 拌和用水为饮用水 ， 细骨料为细度 模数为 1 8的河砂， 粗骨料为 53 0 mm连续级配的碎石。配 合 比见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 k g m 1 3 试验加载方案 无加 载历史的试验过程 ： 试 件安装 就绪后 直接进行 应变速 率 为 1 0、 1 0 一、 l O 。 s 下的单轴压缩试验， 直到试件破坏。 有加载历史的试验过程： 以0 5 MP a s 的速度 对试件 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 9 - 0 4 作者简介 ： 谢玖杨( 1 9 8 8 ) ， 男， 湖南娄底人 ， 硕士研 究生 研 究方向为结构工程。 通 信作者 ： 彭刚 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 湖 南岳 阳人 ， 教授 ， 博 士生 导师。 E ma i l ：g p e n g l 5 8 1 2 6 c o rn 1 05 人 民 黄 河2 0 1 3年第 2期 预加载到 F 。= 0 4 L( 为无加载历史时的混凝土单轴抗压强 度) ； 按余弦波加载， 荷载时程 H=A c o s ( 2 w F t )+ ， 4为循 环幅值( 0 ) ， F为循环频率， t 为循环时间， 为预加荷载 ， 试验循环 5 0次； 以 0 5 M P a s 的速度将荷载卸载到 1 0 k N； 对卸载后的混凝土试件进行单轴压缩试验直到试件破坏。 2 混凝士动态特性分析 2 1 混凝土动态抗压强度 按试验加载方案， 得到混凝土在 l O 、 l 0 、 l 0 。 s 三种应 变速率作用下的峰值应力见表 2 。峰值应力与应变速率及循环 频率的关系分别见图 1 、 图2 。 表 2 混凝土的峰值应力 图 1 Hz 图 2 混凝土峰值应力与循环频率的关系 从 表 2和图 1可 以看 出， 在相 同的循环频 率加载历史条件 下， 混凝土的峰值应力随应变速率的提高而增大。混凝土的峰 值应力在应变速率为 l O“ s 和 1 0 s 时， 无加载历史下分别 比1 0 。 s 时的峰值应力增大了2 6 6 和 6 8 2 ； 经历 F=0 5 H z 的循环加载历史后 ， 分别比 1 0。 s时的峰值应力增大了 4 3 4 、 9 3 0 ； 经历 F=2 0 H z的循环加载历史后， 分别比 1 0 s 时的峰值应力增大 了 9 8 6 、 1 5 4 8 。 从表 2和图 2可 以看 出 ， 在相 同的应 变速 率条 件下 ， 混凝 土的峰值应力随着循环频率的提高先增大后减小。在应变速 】 0 6 率分别为 1 O 、 1 0 。、 1 0 。 s 时， 历经 F= 0 5 Hz 循环加载历史 后， 混凝土的峰值应力 比没有经历加载历史时增大 了0 4 3 、 2 0 7 和 2 7 4 ； 历 经 F= 2 0 H z 的循 环加 载历史 后 ， 混凝 土 的峰值应力比无加载历史时分别减小 了 1 2 2 0 、 6 o 4 和 5 0 8 。主要原因是低频率加载历史条件下， 混凝土的初始微 裂纹和缺陷经过挤压变得密实， 导致混凝土的峰值应力略有提 高， 而在较高振动频率加载历史条件下， 混凝土内部的初始微 裂纹和缺陷进一步扩展， 导致峰值应力明显减小。 2 2 混凝土峰值应变 混凝土在 1 O、 1 0、 1 0 s三种应 变速率 下 的峰值应 变 见表 3 。峰值应变随应变速率和加载历史循环频率的变化规律 分别 见图 3 、 图 4 。 表 3混凝 土的峰值应变 s 图 3 笔 b Hz 图 4 混凝土峰值应变与循环频率 的关 系 从表 3和图3可以看出， 在相同的加载历史条件下， 混凝 土的峰值应变随着应变速率的提高总体上是增大的。混凝土 的峰值应变在应变速率为 l 0 s和 l 0 。 s 时， 无加载历史下 分别比 1 0 s 时的峰值应变增大了4 2 1 和 1 6 1 4 ； 经历 F= 0 5 H z的循环加载历史后 ， 分别 比 1 0 。 s 时 的峰 值应变增 大了9 2 0 、 1 4 4 0 从表3和图4可以看出， 相同的应变速率下， 混凝土的峰 值应变随循环频率的提高而减小。在应变速率为 1 0、 1 0 一、 1 O s 时 ， 历经 F= 0 5 H z的循环加 载历 史后 ， 混凝 土 的峰值 人 民 黄 河2 0 1 3年第 2期 应变 比无加载历史 时分别减小 了 1 2 2 8 、 8 0 8 、 1 3 6 0 ； 历 经 F= 2 0 Hz 的循 环加 载历史后 ， 混凝 土 的峰值 应变 比无加载 历史时分别减小了 1 2 9 8 、 2 0 5 4 和 1 8 7 3 。循环加载振 动频率的提高使混凝土内部微缺陷发展更严重， 从而在相同加 载速率下 ， 峰值应变会减小 。 2 3混凝土弹性模量 这里取峰值应 力为 3 5 一 4 5 时 的割线模 量作 为混 凝土 弹性模量 。通过分析试 验数据 ， 得 到混凝 土 弹性模 量 ， 表 4 。 混凝土的弹性模量随应变速率和加载历史循环频率的变化规 律分别见 图 5 、 图 6 。 表 4 混凝土的弹性模 量 图 5 图 6 混凝土弹性模量与循环频率的关系 从表4和图 5可以看出， 在相同加载历史条件下， 混凝土 的弹性模量随应变速率的变化规律总体上不明显。 从表 4和图 6可以看出， 在相同应变速率条件下 ， ? 昆凝土 的弹性模量随循环频率的提高先增大后减小。在应变速率为 1 0 一、 1 0 一、 1 0 s时， 历经 F= 0 5 H z的循环加载历史后， 混 凝土 的弹 性 模 量 比无 加 载 历 史 时 分 别 增 大 了2 6 8 1 、 1 9 3 5 、 1 8 6 3 ； 历经 F= 2 0 H z的循环 加载历 史后 ， 混凝 土 的弹性模 量比无加载历史时分别增大 了 1 4 3 5 、 1 3 2 3 、 5 7 2 。经历F= 2 0 Hz 的循环加载历史后混凝土的弹性模量 比 F= 0 5 H z的情况分别降低 了9 8 4 、 5 1 2 和1 0 8 8 。 试验表明： 混凝土在经历相对较高振动频率的加载历史后 ， 其 弹性模量与经历较低振动频率时相比明显减小。 3 结论 ( 1 ) 在相同循环加载历史条件下 ， 混凝土的峰值应力随应 变速率的提高而增大； 在相同应变速率条件下， 混凝土的峰值 应力随循环频率的提高先增大后减小。 ( 2 ) 在相同循环加载历史条件下 ， 混凝土的峰值应变随应 变速率的提高总体上呈增大的趋势； 在相同应变速率条件下， 混凝土的峰值应变随循环频率的提高而减小。 ( 3 ) 在相同循环加载历史条件下 ， 混凝土弹性模量的变化 规律随应变速率的改变并不明显； 在相同应变速率条件下 ， 混 凝土的弹性模量随循环频率的提高先增大后减小 ， 且在经历过 相对较高循环频率的加载历史后 ， 其弹性模量与经历较低振动 频率 时相 比明显减小 。 参考文献 ： 1 B y o n g Y B ，H s u C T T S t r e s s S t r a i n B e h a v i o r o f C o n c r e t e U n d e r C y c l i c L o a d i n g J A C I M a t e ri al s J o u rn al， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 2 ) ： 1 7 8 1 9 3 2 D a v i d ZY， H a n s W R ， R e s p o n s e o f P la i n C o n c r e t e t o C y c l ic T e n s i o n J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 8 7， 8 4( 5) ： 3 6 53 7 3 3 B u y u k o z t u r k O， T s e n g T M C o n c r e t e i n B i a x i a l C y c l i c C o m p r e s s io n J J o u r n a l of s t r u c t u r e E n g i n e e r i n g， 1 9 8 4， 1 1 0 ( 3) ： 4 6 1 4 7 6 4 Lok u g e W P ， S a n j a y a n J G， S c t u n g e S T r i a x i a l T e s t R e s u l t s of H ig h S tr e n g t h C o n c r e t e S u b j e c t t o C y c l i c L o a d i n g J M a g a z i n e of C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 5 5 f 4) ： 3 2 13 2 9 5 闰东明， 林皋， 王哲 变幅循环荷载作用下混凝土的单轴拉伸特性 J 水利 学报 ， 2 0 0 5 ( 5 )： 5 9 35 9 7 6 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 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 9 4 3 9 5 2 7 肖诗云， 张剑 历经荷载历史混凝土动态受压实验研究 J 大理理工大学 学报 ， 2 0 1 1 ， 5 1 ( 1 ) ： 7 88 3 8 林皋， 周洪涛 ， 黄承 逵 循环加 载历史 对混凝 土 断裂特 性影 响的试 验研究 J 水利学报 ， 1 9 9 4 ( 5 ) ： 2 5 3 O 9 逯静 洲， 林皋 ， 王哲 混凝土经历荷载历史后损伤特性研究 J 烟台大学学 报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 4 ) ： 2 7 7 2 8 7 1 0 中华人民共和 国建设部 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2普通混凝 土力学性能 试验方 法标准 S 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 3 【 责任编辑张华岩】 1 0 7