荷載歷史對混凝土動態(tài)單軸拉伸損傷的影響

混凝土是建筑材料。由于混凝土自身組成的不均勻性和混凝土在施工過程中的溫度和干燥性，混凝土及其他相關(guān)材料之間通常存在微間隙和微裂縫。這被稱為初始損傷。當(dāng)載荷作用于混凝土或者外界環(huán)境發(fā)生變化時,混凝土材料內(nèi)部初始微裂紋將開始發(fā)展并將產(chǎn)生新的微裂縫,以致形成微觀的甚至宏觀的缺陷,稱為混凝土的損傷演化。損傷的存在和發(fā)展,對混凝土的各種特性如強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等產(chǎn)生了重要影響,如強(qiáng)度劣化、彈性模量降低等,因而對這些特性進(jìn)行研究有助于更加深入地認(rèn)識混凝土的性質(zhì)和實際工程應(yīng)用,并為進(jìn)一步研究混凝土的損傷特性和建立混凝土的動態(tài)損傷本構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)。不僅如此,混凝土結(jié)構(gòu)往往遭受動態(tài)荷載作用,在動態(tài)荷載作用下其動態(tài)特性和損傷特性將發(fā)生很大改變,而目前關(guān)于混凝土動態(tài)損傷的研究還很少,關(guān)于動態(tài)受拉損傷的試驗研究更少,因此,混凝土進(jìn)行動態(tài)受拉損傷試驗研究具有十分重要的理論意義和工程價值。從損傷力學(xué)引入到混凝土的研究中來直到今天,一些成熟的損傷本構(gòu)模型也主要是運(yùn)用宏觀唯象學(xué)方法研究的結(jié)果。在宏觀唯象學(xué)方法方面研究混凝土動態(tài)損傷主要是重復(fù)加載損傷試驗方法,就是對混凝土試件在給定應(yīng)變率下加載到不同應(yīng)變值再卸載,然后再加載至破壞。據(jù)此測量其相關(guān)性質(zhì)(如強(qiáng)度、彈性模量)變化,從這些特性的變化來判斷損傷的演化程度。這種方法把材料的損傷和混凝土的特性指標(biāo)聯(lián)系起來,因此便于應(yīng)用到實際工程中。近年來,國外許多學(xué)者在這方面開展了很多研究。Meier等人用立方體試塊進(jìn)行試驗,先施加多軸荷載作用,再從這些經(jīng)歷過荷載歷史的試件中切取圓柱體核心做劈裂試驗,用以研究在給定荷載情況下混凝土強(qiáng)度的劣化,并應(yīng)用劣化因子來研究混凝土在給定荷載歷史作用下的損傷演化規(guī)律。Cook等不僅研究了抗壓荷載歷史對強(qiáng)度和彈性模量的影響,而且研究了受拉荷載對二者的影響。他們的荷載歷史包括持續(xù)恒定荷載作用及微幅循環(huán)荷載作用。Delibes等人使用混凝土圓柱體試件,先對其施加單軸受壓荷載歷史作用,在到達(dá)峰值荷載之前某一點卸載,然后再測量此時的劈拉強(qiáng)度,并用劈拉強(qiáng)度的降低來定義損傷,研究單軸受壓荷載歷史對混凝土劈拉強(qiáng)度的影響。李慶斌結(jié)合混凝土在快速變形下的性能試驗,提出了混凝土在快速變形下的單軸受拉受壓損傷本構(gòu)模型[4―5];從混凝土動力損傷和靜力損傷之間的關(guān)系,建立了考慮初始彈性模量變化的混凝土動力損傷本構(gòu)模型。另外,RavindraGettu等則研究了荷載歷史對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響,雖然與普通混凝土的影響規(guī)律不完全相同,但是可以明顯看出,不同的荷載歷史確實引起高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度發(fā)生變化。鄧宗才根據(jù)混凝土在單軸拉壓情況下的變形和損傷試驗,建立了混凝土在單軸情況下的靜力和動力損傷本構(gòu)模型;何長江根據(jù)混凝土動態(tài)沖擊問題,給出了混凝土的Holmquist-Johnson-Cook損傷本構(gòu)模型,并給出了歐拉數(shù)值計算方法;胡時勝根據(jù)混凝土的沖擊壓縮試驗,用“損傷凍結(jié)”方法研究混凝土的損傷演化效應(yīng),并給出了混凝土的損傷演化方程,建立了混凝土的損傷型粘彈性本構(gòu)模型;Piti通過對混凝土進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的抗壓沖擊試驗,研究了應(yīng)變率對混凝土峰值荷載時損傷的影響,發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加,混凝土彈性模量損傷退化加快了,混凝土在峰值荷載時的損傷值變大了,而且更加接近于破壞值。本文在MTS-810NEW電液伺服試驗機(jī)上對混凝土進(jìn)行動態(tài)受拉損傷試驗,研究了歷經(jīng)荷載歷史對混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度、動態(tài)變形特性和動態(tài)損傷特性的影響。1試件與原料、攪拌用水及配合比試驗試件采用總長度為200mm的啞鈴形試件,中間部分長100mm,截面形狀為正方形,中部截面為70mm×70mm,兩端逐漸過渡為100mm×100mm。試件所用水泥采用大連水泥廠生產(chǎn)的“海鷗”牌32.5R普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料為大連地區(qū)天然河沙;粗骨料為連續(xù)級配的碎石,石子的最大骨料粒徑采用20mm;攪拌用水為普通自來水。配合比為水泥∶水∶石子∶砂=1.00∶0.40∶2.36∶1.16。試件用鋼模先人工振搗然后在振動臺上振搗成型,24h后拆模,在水中養(yǎng)護(hù)兩天,然后,用草簾覆蓋包濕,最外面再用塑料布覆蓋保溫,之后每天早晚各澆水一次,直至28d,其后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。2試驗計劃2.1mts-71nd電液伺服活性加載設(shè)備采用大連理工大學(xué)工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國家重點試驗室引進(jìn)的美國MTS-810NEW電液伺服萬能試驗機(jī),該設(shè)備的最大負(fù)荷為±100kN。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京京南航天數(shù)據(jù)技術(shù)公司研制的DSPS動態(tài)信號實時分析系統(tǒng),最大分析頻率為50000,可以滿足動態(tài)試驗采集需要。2.2試件結(jié)構(gòu)及加載試驗時,在混凝土試件的兩個對面中心用環(huán)氧乙烯膠粘貼“+”字交叉的應(yīng)變片來量測試件的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,應(yīng)變片的大小采用50mm×4mm。同時,為了更加準(zhǔn)確測量試件的縱向變形,在另兩個側(cè)面上,安放自制的夾式位移引申計,測量標(biāo)距為70mm。試件的連接采用粘貼式,試件兩端采用中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生產(chǎn)的JGN-Ⅱ型建筑結(jié)構(gòu)膠(其抗拉強(qiáng)度大于35MPa,抗剪強(qiáng)度大于18MPa)和帶有螺孔的足夠厚的鋼板粘結(jié),鋼板通過螺栓固定在試驗機(jī)的加載頭上。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1(a)和圖1(b)所示。試驗時,通過液壓伺服系統(tǒng)控制作動頭的運(yùn)動來對試件加載。加載大小及頻率通過控制系統(tǒng)發(fā)出的電信號及頻率來進(jìn)行。在加載前,調(diào)整好試件與設(shè)備連接螺栓的松緊程度,并初步對試件進(jìn)行幾何對中,然后對試件施加0.5kN左右的荷載,調(diào)節(jié)四根鋼桿螺母的松緊程度對試件進(jìn)行物理對中,使加載時試件受力均勻。同時,由于試驗機(jī)安裝了球鉸,能夠自動校正微量的偏心。2.3應(yīng)變速率的確定試驗所取的應(yīng)變率分為四個等級,分別為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s,并取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率。先對試件施加不同應(yīng)變率的荷載歷史,荷載歷史的最大值分別取為相同應(yīng)變率情況下試件抗拉強(qiáng)度的45%、60%、75%三種情況,然后按照相同的應(yīng)變率卸載。最后,對受到荷載歷史作用的混凝土試件進(jìn)行相同應(yīng)變率作用下的全曲線試驗分析,研究荷載歷史對混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度、動態(tài)變形特性和動態(tài)損傷特性的影響。3試驗結(jié)果與分析3.1相同應(yīng)變率下,混凝土強(qiáng)度混凝土經(jīng)歷受拉荷載歷史后,會對混凝土造成不同程度的損傷,損傷的存在必然會對混凝土抗拉強(qiáng)度造成影響。通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析,得到歷經(jīng)不同應(yīng)變率、不同大小的荷載歷史后混凝土抗拉強(qiáng)度如表1所示。從表1中可以看出,相同應(yīng)變率下,經(jīng)歷荷載歷史后,混凝土抗拉強(qiáng)度的平均值有所降低。相對于未歷經(jīng)荷載歷史,混凝土歷經(jīng)了45%、60%和75%極限強(qiáng)度后的平均抗拉強(qiáng)度對于應(yīng)變率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時分別降低了8.78%、6.37%和6.71%,12.95%、9.06%和13.11%,14.46%、17.50%和17.50%以及8.86%、8.43%和8.00%。因此,可以看出混凝土歷經(jīng)荷載歷史對混凝土產(chǎn)生了損傷,并且歷經(jīng)荷載歷史越大,產(chǎn)生的損傷越大,而且損傷大小有隨著應(yīng)變率增加而增加的趨勢。同時,也可以從表1中看出,歷經(jīng)相同的荷載歷史后,隨著應(yīng)變率的增加,混凝土的強(qiáng)度相應(yīng)增加了。3.2試件荷載歷史混凝土經(jīng)歷荷載歷史作用,促使混凝土內(nèi)部的初始損傷發(fā)展和造成新的損傷產(chǎn)生,因而經(jīng)歷荷載歷史后混凝土內(nèi)部損傷會使混凝土的動態(tài)特性發(fā)生改變。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)分別給出了應(yīng)變率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時,混凝土試件所歷經(jīng)荷載歷史分別為抗拉強(qiáng)度的0%、45%、60%和75%后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。從圖2中可以看出:歷經(jīng)加載歷史后混凝土的全曲線發(fā)生了變化,荷載歷史越大,全曲線變得越平緩。說明,歷經(jīng)荷載歷史后,混凝土的損傷特性發(fā)生了變化,所歷經(jīng)的加載荷載越大,混凝土所受到的損傷越大。3.3引氣劑摻量的影響臨界應(yīng)變定義為混凝土峰值應(yīng)力處的應(yīng)變。邱玲等通過在混凝土試件中摻入不同數(shù)量引氣劑模擬初始損傷的方法,研究了損傷隨應(yīng)變的演化規(guī)律,從其研究中可以得出,隨著引氣劑摻量的增加,即初始損傷的增加,臨界應(yīng)變逐漸增大。表2給出了本文試驗中,混凝土經(jīng)歷荷載歷史后,不同應(yīng)變率時的受拉臨界應(yīng)變值的情況。從表2中可以看出,臨界應(yīng)變離散性較大,但從其平均值來看,在不同應(yīng)變率下歷經(jīng)不同荷載歷史后,盡管對混凝土造成了損傷,但對臨界應(yīng)變的影響并不明顯;同時從表2中還可以看出,不同應(yīng)變率下,歷經(jīng)相同的荷載歷史,臨界應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加而略有增加。3.4應(yīng)變率對混凝土損傷的影響混凝土歷經(jīng)荷載歷史,內(nèi)部產(chǎn)生損傷,而不可恢復(fù)的損傷對混凝土再次加載時的損傷特性產(chǎn)生較大的影響。本文定義混凝土的損傷為混凝土切線模量的退化,即用如下公式計算混凝土的損傷:式中:D指損傷值;E0指初始切線模量;Ec指任意應(yīng)力水平比對應(yīng)的切線模量。表3給出了混凝土在不同的應(yīng)變率情況下,歷經(jīng)不同大小的荷載歷史對混凝土損傷應(yīng)力檻值比(損傷應(yīng)力檻值與極限抗拉強(qiáng)度之比)的影響。從表3中可以看出,在各種不同應(yīng)變率下,混凝土經(jīng)歷荷載歷史后,同一應(yīng)變率下混凝土損傷應(yīng)力檻值比降低了,而且荷載歷史越大,損傷應(yīng)力檻值比降低得越大;在同一大小加載歷史下,損傷應(yīng)力檻值比隨著應(yīng)變率的增加而增加。根據(jù)本文損傷定義,對混凝土典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了損傷分析,研究了荷載歷史對混凝土損傷值在應(yīng)力空間和應(yīng)變空間的影響。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)分別給出了應(yīng)變率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時,混凝土試件所歷經(jīng)荷載歷史分別為抗拉強(qiáng)度的0%、45%、60%和75%后在應(yīng)力空間內(nèi)的損傷情況,圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)分別給出了應(yīng)變率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時,混凝土試件所歷經(jīng)荷載歷史分別為抗拉強(qiáng)度的0%、45%、60%和75%后在應(yīng)變空間內(nèi)的損傷情況,其中,σ、ε為任意應(yīng)力值、應(yīng)變值,σm、εm為混凝土極限荷載時對應(yīng)的應(yīng)力值、應(yīng)變值。從圖3和圖4中可以看到混凝土損傷演化發(fā)展的3個階段:損傷未發(fā)展階段,混凝土未發(fā)生損傷或損傷很小;損傷穩(wěn)定發(fā)展階段,混凝土損傷隨著荷載的增加穩(wěn)步增長;損傷不穩(wěn)定發(fā)展階段,混凝土損傷隨著荷載的增加而急劇增加直至混凝土發(fā)生破壞。從圖3和圖4中可以看出,無論是在應(yīng)力空間還是在應(yīng)變空間,混凝土歷經(jīng)荷載歷史后,混凝土損傷未發(fā)展階段變短,歷經(jīng)荷載歷史越大,損傷未發(fā)展階段越短,即混凝土的損傷檻值變得越小;同時,也可以看出,在相同的應(yīng)變率條件下,歷經(jīng)荷載歷史后,在相同的應(yīng)力比和應(yīng)變比情況下,混凝土的損傷值增加了。4加載荷載的影響(1)在相同應(yīng)變率下,經(jīng)歷荷載歷史后,混凝土抗拉強(qiáng)度降低;歷經(jīng)相同的荷載歷史,隨著應(yīng)變率的增加,混凝土的強(qiáng)度相應(yīng)增加了。(2)歷經(jīng)荷載歷史后,混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了變化,所歷經(jīng)的加載荷載越大,混凝土所受到