混凝土受拉破坏的破坏规律及滞回曲线研究

混凝土受拉破坏的破坏规律及滞回曲线研究

1混凝土极限拉应变特性在地震的作用下，混凝土坝通常承担着动载和周期负荷的作用。在地震作用下,坝体的应变速率通常为(10-4～10-2)/s。例如,溪同河拱坝第一振型的对称与反对称自振周期分别为0.153s和0.147s,以1/4周期达应力峰值、混凝土极限拉应变1.0×10-4计,则相应应变速率约为2.6×10-3/s。根据已有地震观测资料,在一次强震中,建(构)筑物要经过几次至几十次周期振动。因此,为给大坝抗震设计和地震反应分析提供依据,有必要着重研究混凝土在不同加载速率和周期循环荷载作用下的材料特性。对于混凝土受压的速率敏感性和在周期反复荷载下的强度变形特性已有若干研究,其中CEB模式规范给出了统计表达式。关于加载速率对受拉时的强度和变形特性研究还很少,特别是在动荷载和周期荷载下混凝土受拉应力—应变关系的研究,尚未见文献报导。本文将对这些问题做些探讨。2受拉循环荷载试验研究试验共分三个系列,试件总数约200个。混凝土强度为90d龄期40MPa左右。第一系列着重研究加载速率的影响,应变速度的变化范围为1.0×10-5～2.0×10-2。试件为两端带倒锥形的棱柱体试件,中间截面尺寸为70mm×70mm,两端截面尺寸为100mm×100mm,试件总长200mm,中间段长100mm。第二系列为受拉循环荷载全曲线研究,试件形状同第一系列。第三系列为研究尺寸效应和骨料粒径效应对速率的敏感性,采用抗折试验,试件尺寸分别为100mm×100mm×400mm和150mm×150mm×550mm两种,骨料最大粒径分别为20mm和40mm两种,加载时间范围为0.01～60s。试验是在电液伺服疲劳试验机上进行。为控制受拉破坏为稳定破坏从而获得全曲线,在试验机上附加四根辅助拉杆,提高卸载刚度。试验的加载速率由试验机模控系统中的数字函数发生器控制,采集系统由四迹线记忆示波器和计算机动态采集系统共同完成。在高应变速率,由于计算机采集速度跟不上试件反应速度,则由记忆示波器完成。试验中采集的数据包括荷载、试件四边的伸长和应变,以及横向应变,其中100mm范围内的伸长采用双臂夹式引伸计量测。在试验开始阶段,试件的安装和对中很重要,每个轴拉试件,都要预加40%左右的预估破坏荷载,通过调整四边辅助螺栓,反复对中,直到四边应变相差不到平均值的10%为止。第三系列抗折试件的支座和三分点加载的支点均采用滚轴,以确保无位移和转角约束。3不同加载速度下混凝土的强度和变形特性3.1混凝土的动态及静态应变速率中等强度的混凝土受拉破坏一般都绕过骨料,沿骨料与砂浆界面断裂。而在这次试验中,随着加载速率的提高,穿过骨料本身的断裂面越来越多,受拉强度也随之明显提高。试验表明,在应变速率ε˙=1×10−5/sε˙=1×10-5/s时,抗拉强度ft=2.51MPa;而ε˙=2×10−2/sε˙=2×10-2/s时,ft=3.94MPa。此规律符合对数函数形式(图1),经回归得:ftd=[1+0.173lg(ε˙d/ε˙s)]ftsftd=[1+0.173lg(ε˙d/ε˙s)]fts式中ftd、fts——混凝土的动态、静态抗拉强度;ε˙dε˙d、ε˙sε˙s——混凝土的动态、静态应变速率,本文取ε˙s=1×10−5/sε˙s=1×10-5/s。试验所得的速率敏感性较抗压强度的敏感性为高,大约加载速率提高10倍,抗拉强度提高17%,这与本文进行的弯拉动态试验和文献的试验结果基本吻合,而比CEB模式规范所推荐的抗压强度动态经验公式计算结果高出一倍多。3.2弹性模量和峰值应变试验结果表明,弹性模量、泊松比和峰值应变均受加载速率的影响,从静载(ε˙s=1×10−5/s)(ε˙s=1×10-5/s)到动载(ε˙d=2×10−2/s)(ε˙d=2×10-2/s)弹性模量和泊松比大约提高30%,而峰值应变则提高约19%(见图2、3、4)。上述关系经线性回归后得:3.3应力应变速率拟合图5为4个不同应变速率的有代表性的应力—变形全曲线。由图可见,随着加载速率(应变速率)的提高,应力—变形曲线的变化趋势:曲线上升段的形态前已述及,曲线下降段的斜率随应变速率的提高而提高,到变形达0.3mm时,残余应力已接近相同。根据实验曲线的拟合结果,得到全曲线的表达式为(见图6):上升段式中kt——应力变形曲线初始斜率;其余符号见图6。下降段式中w——开裂区变形;w0——开裂区最大变形,根据试验结果,wo≈0.40mm。而下降段变形δ则为弹性变形δe、上升段的塑性变形δp和开裂区变形w的叠加:式中B、λ——待定系数,由试验曲线拟合得B=5.89,λ=0.947;l——试件的长度,计算分析时可采用破坏区段的长度。4对循环荷载的影响周期循环荷载下轴拉曲线的获得是非常困难的。其困难不仅在于下降段的稳定变形过程难于控制,还在于循环荷载的加载、卸载点很难用函数发生器或计算机程序控制。因为整个试验过程是由作动器(加载器)的位移控制的,而加载、卸载点必须根据试验的p～δ曲线上的荷载和位移坐标点控制,每个试件的试验曲线数学表达式无法事先准确给出,因而其加载、卸载点也就无法用程序控制。试验中,采用函数发生器和模控中的手动调节钮,根据记忆示波器上显示的p～δ曲线人为调节。曾进行了多个试件的试验,共获得了7条全曲线。由于轴拉曲线上升段接近线弹性,受循环荷载的影响较小,故着重研究曲线下降段循环荷载的影响。图7为在相同加载速率(ε˙=1×10−5/s)(ε˙=1×10-5/s)下,单调加载试验曲线与循环加载试验曲线的比较。其它的几条曲线与此类似。由图可见,周期循环荷载下全曲线的包络线与同条件下试件的单轴静载全曲线很接近,可以近似采用单调荷载下的曲线代替循环荷载下全曲线的包络线。每个循环的卸载和重新加载曲线的斜率明显不同。由于开裂截面的损伤,重新加载时刚度降低,曲线斜率变小,各个循环曲线均表现出明显的滞回特性。根据对试验曲线的分析,提出如下滞回曲线方程:卸载曲线σ=σul−(1.2σul+0.09ft)[lg(δul/δ)]1/2σ=σul-(1.2σul+0.09ft)[lg(δul/δ)]1/2式中σul、δul——卸载控制点的应力和变形值;σ、δ——卸载过程中的应力和变形值。重新加载曲线σ=σrl+[y1(δ)+y2(δ)]/[1+γ(δ)]y1(δ)=k0(δ−δrl)y2(δ)=[(k0−ks)kc(δ−δrl)]2/[(ks−kc)(δul−δrl)]γ(δ)=[(k0−ks)(δ−δrl)]/[(ks−kc)(δul−δrl)]σ=σrl+[y1(δ)+y2(δ)]/[1+γ(δ)]y1(δ)=k0(δ-δrl)y2(δ)=[(k0-ks)kc(δ-δrl)]2/[(ks-kc)(δul-δrl)]γ(δ)=[(k0-ks)(δ-δrl)]/[(ks-kc)(δul-δrl)]式中δrl、σrl——重新加载控制点的变形和应力值;k0、ks、kc——一个循环中的常数,其值按下式计算:k0=(3ft+σrl)/(δrl+3σrl/kt)ks=(0.85σul-σrl)/(δul-δrl)kc=0.85σul/δul5加载速率对混凝土力学性能的影响将同一次搅拌的混凝土分别制作100mm×100mm×400mm和150mm×150mm×550mm试件各20个,同龄期、同条件养护,然后进行抗折试验。试验结果表明,两种尺寸试件的速率敏感性几乎一致(见图8)。回归曲线方程采用:ftd/fts=(td/ts)αftd/fts=(td/ts)α式中td、ts——动载、静载加载时间;α——回归系数。根据两大组的试验,第一组两种尺寸试件的α分别为-0.0470和-0.0491,第二组分别为-0.0522和-0.0527。可以看出,加载速率对于混凝土抗拉强度尺寸效应几乎没有影响。曾对一组两种骨料粒径(Dmax=20、40mm)的试件(每种20个试件)进行对比试验。仍采用上述回归模式,对于Dmax=20mm试件,α=-0.0527;对于Dmax=40mm试件,α=-0.0562。可以看出,随着骨料粒径增大,混凝土强度随加载速度提高略有增加,但不明显。前已述及,随着加载速率提高,混凝土破坏时骨料断裂越来越多,因而强度提高。如果骨料粒径加大就意味着混凝土中粒骨料所占比例略有增加,这可能造成速率敏感性增大。但由于试件数量较少,骨料粒径变化范围较小,这个结论还有待于进一步验证。6关于混凝土强度和动载积的测试方法的讨论6.1对速率敏感性的影响目前,混凝土抗拉强度的静载试验通用三种方法:轴拉、劈拉和弯拉。按三种试验方法进行动载试验,所获得的试验结果的速率敏感性不尽相同。图9系根据本文试验结果和文献试验结果绘制的,从图可以看出轴拉试验结果和弯拉试验结果的速率敏感性比较接近,而劈拉试验结果的速率敏感性远远高于弯拉试验结果的速率敏感性。在劈拉试验中,试件上下表面采用直径150mm的圆弧形劈条,并垫有三合板垫条,在试件劈裂时,由于摩擦及垫条两侧的桥架作用,荷载不立即下降,有明显的滞后作用,随着加载速率的提高,滞后作用愈明显,因而劈拉试验结果随加载速率提高而提高的幅度很大。这是一种因试验方法所造成的误差,并不代表混凝土抗拉强度的速率敏感性。轴拉强度则没有这一误差。对于弯拉强度,当加载点和支撑点处于理想铰时,也无这一误差。综上所述,在三种试验方法中,劈拉法不适合动态试验。6.2混凝土动载试验对设备仪器的要求6.2.1lec1km+kf、hf、gla试件采用轴拉试验测取应力—变形全曲线时,必须使试件产生稳定的破坏过程才能获取全曲线下降段的全过程曲线,不论静载或动载都一样。根据能量原理可导出如下系统刚度条件:1km+kf+1kl≤1A(−dwdσ−lEc)1km+kf+1kl≤1A(-dwdσ-lEc)式中km、kf、kl——分别为试验机、辅助架、荷载传感器刚度;A、l、Ec——分别为混凝土试件截面积、长度、受拉弹性模量;dw/dσ——试验曲线下降段斜率。上式的意义就是系统总的刚度应大于试件破坏时的卸载刚度。一般情况下只有特殊的刚性试验机才能满足。如不满足这一条件,则在试件四边附加刚性辅助架来提高系统的刚度。在不等式的右端,必须使l/Ec≤-dw/dσ才能使条件成立。这就意味着试件在破坏时的弹性能释放应小于破坏区段所吸收的能量。总之,获得轴拉全曲线的条件是:试验机系统刚度必须足够大,试件截面积不宜过大,试件长度不宜过长。6.2.2载荷和位移控制由于涉及对加载速率的控制,因此必须选用电液伺服式材料(或结构)试验机。控制方式宜采用位移控制,加载速率通过函数发生器的斜波周期(或正弦波频率)控制,也可采用计算机程序控制。当采用荷载控制时,在峰值点应进行荷载—位移控制的自动平稳切换。通常的伺服试验机无此功能,即使有也往往因切换波动或速度跟不上而告失败,因而宜采用位移控制。经过一两个试件的预备试验,取得峰值荷载时相应位移的数据,便可据此确定加载速率(频率或周期)。轴拉试件的对中十分重要。采用四边附加刚性杆,有利于试件的对中。为了对中应在试件四边中线顺轴拉方向贴应变片,一般预加载到破坏荷载的30%～40%,测取试件四边拉应变值,通过调节四边附加刚性杆的螺丝,使试件四边应变接近,误差不超过平均值的±10%,即完成对中。这通常要经过几次预加载调整才能完成。6.2.3试验数据的采集动态试验由于反应速度快,要求使用高速动态自动数据采集系统。通常采用采样速度高的计算机采集系统,也可采用记忆示波器。在我们的试验中,由于计算机多通道采集,每通道最高可采1000次/s,故在应变速率高于10-3/s时,则采不到全过程;而改用记忆示波器,其时间分辨率可高达0.1μs。一般而言,应保证在曲线上升段和下降段各段采集数据不少于50次,并且最好能按幅值间隔均匀采集。目前,用于动态采集的软件大都以时间间隔控制,往往难以达到预期效果。6.2.4基于小程序试验结果的影响动态抗折试验仍采用三分点加载的试验方法。在试验装置中,二个支撑点和二个加载点的接触摩阻力对动态试验结果的影响比静态试验严重。因此,应采用对水平位移和转角均无约束的光滑滚轴。对试验加载控制和数据采集的要求与前面的要求相同。7轴拉试验结果分析a.轴拉试验和抗折试验结果表明,混凝土抗折强度随加载速率的提高百