不同应变率对混凝土轴拉全曲线影响的试验研究_陈育志.pdf

第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 22 Nov 2015 不同应变率对混凝土轴拉全曲线影响的 试验研究 * 陈育志 1， 2， 王 瑶 1， 陈徐东2 ( 1 金陵科技学院建筑工程学院，南京 211169; 2 河海大学土木与交通学院，南京 210098) 摘要 利用 MTS 试验机， 通过在试件与试验机之间设置球铰组件以降低混凝土拉伸试验中偏心的影响和消除 附加弯矩的影响。并以试件应变为加载控制方式， 完成了应变率为 10 7， 106， 105， 104 /s 四种数量级范围内的 混凝土动态轴向拉伸试验。试验结果表明， 所采用的试验方法简便可行; 不同应变率下的混凝土轴拉应力- 应变全 曲线的形状有很好的相似性; 混凝土抗拉强度和抗拉弹性模量随着应变率的增加而增加， 但应变率的变化对混凝 土极限拉应变没有明显的规律性影响。 关键词 混凝土;轴向拉伸;应力- 应变全曲线;应变率 中图分类号: TU502文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0071- 04 Experimental research on effects of strain rate on tensile stress- strain curve of concrete in axial tension condition Chen Yuzhi1， 2，Wang Yao1，Chen Xudong2 ( 1 Architectural Engineering Institute，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China; 2 College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China) Abstract: MTS testing machine was used and ball hinge components were set between specimens and testing machine to eliminate the influence of eccentricity and additional bending moment in the process of concrete axial tensile test The dynamic axial tensile test of concrete within four strain rate magnitude ranges was completed with loading control method of specimen strain and the strain rates were 10 7， 106， 105， 104 /s The test results show that the used test methods were simple and feasible Under different strain rates，good similarities exist in different complete stress- strain curve shapes of concrete axial tensile tests Tensile strength and elastic modulus increase with the increase of strain rate，but the change of the strain rate has no obvious regular effect on the ultimate tensile strain of concrete Keywords: concrete;axial tension;stress- strain curve;strain rate * 江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究项目( BY2012039) ， 住房和城乡建设部科技计划项目( 2013- K4- 39) 。 作者简介: 陈育志， 博士研究生， Email: yuzhichen jit edu cn。 0引言 目前， 建筑结构在地震作用下的损伤评估主要 从材料、 构件和整体结构三个层次进行。极端地震 条件下钢筋混凝土结构倒塌数值模拟分析离不开准 确的混凝土材料动态本构模型， 倒塌破坏阶段分析 需要的动态本构模型应包含软化段。 在混凝土轴拉试验中， 试件必须通过一定的 夹持方式与试验机连接才能确保拉力的传递， 夹 具的设计应保证试件的对中安装、 受力合理， 并避 免应力集中， 且可以重复利用。国内外常见的夹 持方式有三类: 预埋式、 端部粘贴式和侧夹式或侧 贴式。对于混凝土轴拉试验过程中出现的偏心情 况， 常见的解决方式如下: 1) 采用链条式的柔式拉 杆; 2) 采用可自由转动的铰来保证试件受力的垂 直性， 调整试件两端拉力使其保持在同一直线上; 3) 采用可调式加力架， 在端部钢帽与试验机之间 设置四根调节杆， 通过多次预加载并调整螺丝位 置使四根调节杆的应变值相近， 从而消除偏心影 响。混凝土轴拉试验不仅要求试件断裂位置发生 在均匀受力段， 还要求变形量测设备能跨越试件 产生的裂缝， 且量测标距不宜过长。常见的解决 办法是制作设置缺口的试件或制作两端断面大中 间断面小的哑铃形( 狗骨形) 试件。 从已有研究成果看， 多是针对韧性较好的纤 维混凝土轴拉应力- 应变全曲线( 简称混凝土轴拉 全曲线) 展开研究， 而针对普通混凝土轴拉全曲线 的试验难度极大， 试验研究成果极少， 存在不少基 础性问题( 动态软化段、 加载制度、 应变率等) ， 需 要进一步探索和深化研究。本文通过混凝土轴拉 试验来研究不同应变率( 10 7， 106， 105， 104 /s) 下混凝土轴拉全曲线， 以完善混凝土的轴拉全过程 本构关系， 为地震作用下结构防倒塌设计提供相应 依据。 建筑结构2015 年 1试验概况 1. 1 试件制备 试验中所用试件的混凝土配合比为水泥 水 石 子 砂子 =1 0. 45 2 4。水泥采用普通硅酸盐 42. 5 级水泥; 粗骨料为最大粒径为 10mm 的碎石; 砂子为 河砂， 颗粒大小为 0. 4 2. 5mm 连续级配。为了保 证试件的均匀性， 首先将混凝土浇筑在长 宽 高 为 1 100mm 300mm 300mm 的钢模中成型， 振动 密实， 24h 后拆模。在实验室内洒水养护 28d 后， 用 钻孔机钻孔取样。考虑试件尺寸不应低于最大骨料 粒径的 3 倍和引伸计固定的方便性， 采用实验室现 有的内径为 74mm 的钻孔取芯机进行取芯， 并采用 双刀片岩石切割机切割试件， 以保证试件两端面平 行。试件切割后的高度为 150mm， 约为试件横截面 直径的 2 倍。每种应变率对应的试件数为 3 个。本 次试验时试件的轴心抗压强度平均值为 55. 2MPa。 1. 2 试验准备 在进行混凝土轴拉全曲线试验中有三个关键问 题需要解决: 第一是保证加载过程中荷载的瞬时传 递; 第二是减小混凝土直接拉伸过程中偏心影响; 第 三是有效获取混凝土轴拉全曲线的软化段。本研究 采取的解决方案如下: 设计可调至无间隙的传力球 铰装置， 球铰装置可自由转动， 能够避免试件端部约 束所导致的曲线失真; 同时能在加载过程中不断调 节拉伸方向， 保证拉力同轴并尽可能减小偏心引起 的误差。采用 45 号钢加工可拆卸的球形万向铰装 置， 其外观和构造如图 1 所示。 图 1球铰装置照片 不同的夹持方式会影响试件均匀受力段的长度 以及断裂的位置， 本文采用在圆柱形试件端部粘贴 足够厚度钢帽的夹持方式， 此种方式下拉力通过端 部钢帽可以直接均匀地传递给试件。通过对市场上 现有的结构胶进行预试验， 使用 FC- SS 粘钢胶可 以很好地实现加载过程中混凝土试件与钢帽的 粘结。 1. 3 试验装置及加载方案 要测出混凝土轴拉全过程曲线中的完整软化段 并不容易， 因为当混凝土试件达到峰值应力时， 试验 机反力架变形所积蓄的能量会突然释放， 从而造成 试件突然破坏。黄承逵等 1 、 姚武等 2 指出: 要获得 混凝土的稳定断裂， 试验机的刚度必须大于混凝土轴 拉全曲线上任一点的斜率。对于脆性材料， 曲线下降 段很陡， 即材料刚度特别大， 普通试验机很难满足， 一 般采用附加刚性装置来弥补试验机刚度的不足。但 混凝土材料的脆性很大， 通过提高试验机的刚度来 获得混凝土轴拉全曲线有较大的局限性， 目前多采 用闭环电液伺服试验机进行加载控制。这种加载方 式能在一定应变率范围内， 依靠试验机的闭环自动 调节作动器伸缩移动来有效控制试件的变形速 率 3 ， 从而完成指定应变率的拉伸试验。 本文试验加载设备采用 MTS322 电液伺服试验 机， 试验机配有原装引伸计( 标距为 25mm， 量程为 2. 5mm) ， 引伸计既可以测量记录试件的变形， 还 可以被用于控制试验加载进程。本次混凝土轴拉试 验装置实景照片及示意图分别见图 2， 3。 图 2试验装置实景照片 图 3试验装置示意图 虽然本文试验中采用球铰装置， 并在粘贴钢帽 过程中尽量减小几何偏心， 但由于混凝土材料的非 均质性和难以避免的人为误差， 混凝土试件在拉伸 过程中的偏心问题是无法彻底消除的。为了保证试 验结果的有效性， 在试件侧面间隔 120布置 3 个引 伸计， 混凝土轴拉全曲线中应变值取 3 个引伸计所 测得的平均值。 为了测得试件整个受力过程中的拉应变， 在试 件两端粘贴端子并固定导杆， 将引伸计绑定在导杆 上。混凝土试件的变形将通过端子和导杆传递到引 伸计。 为保证试验成功， 采用混凝土试件应变作为加 载控制信号， 在编制试验方案时借助 MTS 控制系统 编程功能， 自动判断挑选出 3 个引伸计所测得的变 形最大值作为控制信号， 进行应变率为 10 7， 106， 10 5， 104 /s 四种应变率下混凝土轴拉全过程试验。 2试验结果与分析 2. 1 应变率对抗拉强度的影响 本文进行了四种应变率下混凝土单轴拉伸试 27 第 45 卷 第 22 期陈育志， 等 不同应变率对混凝土轴拉全曲线影响的试验研究 验， 试验结果如表 1 所示， 其中混凝土的吸能能力定 义为混凝土轴拉全曲线在最大应力处与应变轴之间 的面积。 混凝土在不同应变率下拉伸试验结果表 1 应变率 /( 1/s) 抗拉强度 /MPa 抗拉弹性 模量 Et/GPa 极限拉应变 /(10 6) 吸能能力 /( J/m3) 10 7 2. 7528. 7124200 10 6 3. 4536. 5119239 10 5 3. 4038. 6106240 10 4 4. 8641. 1132349 由表 1 可知， 混凝土的抗拉强度随应变率的增 加而增加。一般认为出现此种现象的原因是: 低应 变率时， 混凝土内部应力上升缓慢， 裂缝多沿着砂浆 基材与骨料的交界面充分扩展， 试件破坏时断裂骨 料少， 所测得的混凝土抗拉强度低; 高应变率时， 内 部应力上升时间非常短， 内部微裂缝还来不及沿着 抗力最小的路径扩展， 应力已达到了可以贯穿骨料 的值， 试件破坏时破坏裂缝更趋于直线且断裂骨料 多， 所测得的混凝土抗拉强度高。高、 低应变率下混 凝土轴拉试件的破坏如图 4 所示。 图 4高、 低应变率下混凝土轴拉试件的破坏面 混凝土动态强度与静态强度的比值称为强度动 态提高因子。关于混凝土动态拉伸强度提高值， 尚 仁杰 4 完成了应变率为 105， 2 104， 2 103， 2 10 2 /s 的拉伸试验， 试验结果表明， 应变率每增 加一个量级， 混凝土抗拉强度就提高了约 17. 8%， 肖诗云等 5 的试验结果为该强度提高了约 5. 7%， 闫东明等 6 的试验结果为该强度提高了约 13. 5%。 可以看出， 不同研究人员得出的结论存在一定区别， 这与试验方法和试验对象的不同有关， 强度等级低 的混凝土的动态拉伸强度的提高相对较大。 本文以应变率为 10 7 /s 时为准静态， 采用经验 公式( 1) ， 利用本次试验所得数据进行拟合， 可得到 本文中混凝土抗拉强度与应变率之间的近似关系式 ( 式( 2) ) 。 ft， d ft， s = A + Blg t， d t， () s ( 1) ft， d ft， s = 1. 0 + 0. 23 lg t， d t， () s ( 2) 式中: ft， s为混凝土应变率为 10 7 /s 时的抗拉强度; ft， d为混凝土动态抗拉强度; t， d为动态拉伸应变率; t， s为准静态拉伸应变率， 本文取为 10 7 /s。 从式( 2) 中可以得出， 应变率增加一个数量级， 混凝土的抗拉强度提高了约 23%。 2. 2 应变率对抗拉弹性模量的影响 混凝土抗拉弹性模量 Et可以按照水工混凝土 试验规程 ( SL 3522006) 中给出的公式求得: Et= 0 5 0 5 ( 3) 式中: 0. 5为 50% 峰值荷载对应的应力; 0. 5为 50% 峰值荷载对应的应变。 图 5 为本次试验得到的不同应变率下的混凝土 轴拉全曲线。从表 1 及图 5 可以看出: 不同应变率 下的混凝土轴拉全曲线形状具有一定的相似性。随 应变率的增加， 混凝土的抗拉弹性模量也会相应提 高。其他研究者 5， 6 也发现高应变率下得到的混凝 土抗拉弹性模量值较高。Cadoni E 等 7 给出了混凝 土抗拉弹性模量随应变率增加而提高的原因: 1) 在 较高应变率下， 自由水的黏性效应会更加明显， 在同 等变形情况下， 混凝土的应力会更高， 而骨料阻止微 裂缝的形成与发展， 使同等应力状态下变形相对较 小， 从而使弹性模量得到相对提高; 2) 当试件受到 快速荷载作用时， 裂缝的扩展速率与应变率成正比。 但裂缝的扩展速率要低于应力波的波速， 试件应变 相较于应力波的传播会有一定的延后， 即相同应力 处的应变随着应变率的增加而降低。 图 5混凝土轴拉全曲线 本文以应变率为 10 7 /s 时的抗拉弹性模量作 为准静态值， 当应变率为 10 6， 105， 104 /s 时， 抗 拉弹性模量分别提高了 27. 2%， 34. 5%， 43. 2%。 利用本次试验所得相应数据， 对抗拉弹性模量与应 37 建筑结构2015 年 变率关系进行拟合， 得到的方程为: Et， d Et， s = 1. 0 + 0. 14 lg t， d t， () s ( 4) 式中: Et， s为混凝土应变率为 10 7 /s 时抗拉弹性模 量; Et， d为混凝土动态抗拉弹性模量。 由式( 4) 可见， 若是以应变率为 10 7 /s 为准静 态值， 则应变率每增加一个数量级， 混凝土抗拉弹性 模量提高了约 14%。 2. 3 应变率对极限拉应变的影响 根据 水工混凝土试验规程 ( SL 3522006) 给出的定义: 拉伸峰值荷载对应的应变即为极限拉 应变。关于应变率对极限拉应变的影响， 尚仁杰 4 和肖诗云等 5 的结论是: 随着应变率的提高， 混凝 土极限拉应变稍有增大但不明显 4 或者没有改 变 5 。闫东明等6 以 C10 和 C20 混凝土为试验对 象给出， 应变率提高一个数量级时， C10 和 C20 混凝 土极限拉应变分别提高了约 10% 和 20%。但从本 文试验数据看， 应变率的变化对混凝土极限拉应变 没有明显的规律性影响。 2. 4 应变率对吸能能力的影响 由图 5 可以看出， 在混凝土轴拉全曲线达到最 大拉应力前( 包含最大拉应力) ， 随着应变率的增 加， 混凝土拉应力增加， 因而混凝土的吸能能力也相 应地增加了。当应变率为 10 6， 105， 104 /s 时， 混 凝土的吸能能力分别比应变率为 10 7 /s 时提高了 19. 6%， 20. 0%， 74. 7%。 3结论 利用 MTS 试验机和球铰装置， 采用混凝土自身 应变作为加载控制方式， 获得了不同应变率( 10 7， 10 6， 105， 104 /s) 下混凝土轴拉全曲线， 通过分析 得到如下结论: ( 1) 不同应变率下的混凝土轴拉全曲线形状具 有一定的相似性。 ( 2) 混凝土的抗拉强度和抗拉弹性模量随应变 率的增加而增加， 以应变率 10 7 /s 为准静态， 应变 率每提高一个数量级， 抗拉强度提高了约 23%， 抗 拉弹性模量提高了约 14%， 混凝土的吸能能力也得 到相应的提高， 但应变率对极限拉伸应变没有明显 的规律性影响。 参考文献 1 黄承逵， 尚仁杰， 赵国藩 混凝土动态拉伸试验方法的 研究J 大连理工大学学报， 1997， 37( S1) :110- 114 2 姚武， 吴科如 混凝土拉伸应力- 应变全曲线实验测定 的条件 J 同济大学学报， 1996， 24( 2) : 142- 145 3 马世民， 马宇博 对目前岩石 “全曲线” 测试的若干看 法 J 岩土力学， 2003， 24( S1) : 67- 71 4 尚仁杰 混凝土动态本构行为研究 D 大连:大连 理工大学， 1994 5 肖诗云， 林皋， 王哲， 等 应变率对混凝土抗拉特性影 响 J 大连理工大学学报， 2001， 14( 6) : 721- 725 6 闫东明， 林皋， 王哲， 等 不同应变速率下混凝土直接 拉伸试验研究J 土木工程学报， 2005， 38( 6) :97- 103 7 CADONI E，LABIBES K，ALBETINI C，et al Strain- rate effect on the tensile behavior of concrete at different relative humidity levels J Materials and Structures， 2001， 34( 1) : 21- 26 47