荷载历史对混凝土动态单轴拉伸损伤的影响

荷载历史对混凝土动态单轴拉伸损伤的影响

混凝土是建筑材料。由于混凝土自身组成的不均匀性和混凝土在施工过程中的温度和干燥性，混凝土及其他相关材料之间通常存在微间隙和微裂缝。这被称为初始损伤。当载荷作用于混凝土或者外界环境发生变化时,混凝土材料内部初始微裂纹将开始发展并将产生新的微裂缝,以致形成微观的甚至宏观的缺陷,称为混凝土的损伤演化。损伤的存在和发展,对混凝土的各种特性如强度、弹性模量、泊松比等产生了重要影响,如强度劣化、弹性模量降低等,因而对这些特性进行研究有助于更加深入地认识混凝土的性质和实际工程应用,并为进一步研究混凝土的损伤特性和建立混凝土的动态损伤本构模型奠定基础。不仅如此,混凝土结构往往遭受动态荷载作用,在动态荷载作用下其动态特性和损伤特性将发生很大改变,而目前关于混凝土动态损伤的研究还很少,关于动态受拉损伤的试验研究更少,因此,混凝土进行动态受拉损伤试验研究具有十分重要的理论意义和工程价值。从损伤力学引入到混凝土的研究中来直到今天,一些成熟的损伤本构模型也主要是运用宏观唯象学方法研究的结果。在宏观唯象学方法方面研究混凝土动态损伤主要是重复加载损伤试验方法,就是对混凝土试件在给定应变率下加载到不同应变值再卸载,然后再加载至破坏。据此测量其相关性质(如强度、弹性模量)变化,从这些特性的变化来判断损伤的演化程度。这种方法把材料的损伤和混凝土的特性指标联系起来,因此便于应用到实际工程中。近年来,国外许多学者在这方面开展了很多研究。Meier等人用立方体试块进行试验,先施加多轴荷载作用,再从这些经历过荷载历史的试件中切取圆柱体核心做劈裂试验,用以研究在给定荷载情况下混凝土强度的劣化,并应用劣化因子来研究混凝土在给定荷载历史作用下的损伤演化规律。Cook等不仅研究了抗压荷载历史对强度和弹性模量的影响,而且研究了受拉荷载对二者的影响。他们的荷载历史包括持续恒定荷载作用及微幅循环荷载作用。Delibes等人使用混凝土圆柱体试件,先对其施加单轴受压荷载历史作用,在到达峰值荷载之前某一点卸载,然后再测量此时的劈拉强度,并用劈拉强度的降低来定义损伤,研究单轴受压荷载历史对混凝土劈拉强度的影响。李庆斌结合混凝土在快速变形下的性能试验,提出了混凝土在快速变形下的单轴受拉受压损伤本构模型[4―5];从混凝土动力损伤和静力损伤之间的关系,建立了考虑初始弹性模量变化的混凝土动力损伤本构模型。另外,RavindraGettu等则研究了荷载历史对高强混凝土强度的影响,虽然与普通混凝土的影响规律不完全相同,但是可以明显看出,不同的荷载历史确实引起高强混凝土强度发生变化。邓宗才根据混凝土在单轴拉压情况下的变形和损伤试验,建立了混凝土在单轴情况下的静力和动力损伤本构模型;何长江根据混凝土动态冲击问题,给出了混凝土的Holmquist-Johnson-Cook损伤本构模型,并给出了欧拉数值计算方法;胡时胜根据混凝土的冲击压缩试验,用“损伤冻结”方法研究混凝土的损伤演化效应,并给出了混凝土的损伤演化方程,建立了混凝土的损伤型粘弹性本构模型;Piti通过对混凝土进行静态和动态的抗压冲击试验,研究了应变率对混凝土峰值荷载时损伤的影响,发现随着应变率的增加,混凝土弹性模量损伤退化加快了,混凝土在峰值荷载时的损伤值变大了,而且更加接近于破坏值。本文在MTS-810NEW电液伺服试验机上对混凝土进行动态受拉损伤试验,研究了历经荷载历史对混凝土的动态抗拉强度、动态变形特性和动态损伤特性的影响。1试件与原料、搅拌用水及配合比试验试件采用总长度为200mm的哑铃形试件,中间部分长100mm,截面形状为正方形,中部截面为70mm×70mm,两端逐渐过渡为100mm×100mm。试件所用水泥采用大连水泥厂生产的“海鸥”牌32.5R普通硅酸盐水泥,细骨料为大连地区天然河沙;粗骨料为连续级配的碎石,石子的最大骨料粒径采用20mm;搅拌用水为普通自来水。配合比为水泥∶水∶石子∶砂=1.00∶0.40∶2.36∶1.16。试件用钢模先人工振捣然后在振动台上振捣成型,24h后拆模,在水中养护两天,然后,用草帘覆盖包湿,最外面再用塑料布覆盖保温,之后每天早晚各浇水一次,直至28d,其后在自然条件下养护。2试验计划2.1mts-71nd电液伺服活性加载设备采用大连理工大学工业装备与结构分析国家重点试验室引进的美国MTS-810NEW电液伺服万能试验机,该设备的最大负荷为±100kN。数据采集系统采用北京京南航天数据技术公司研制的DSPS动态信号实时分析系统,最大分析频率为50000,可以满足动态试验采集需要。2.2试件结构及加载试验时,在混凝土试件的两个对面中心用环氧乙烯胶粘贴“+”字交叉的应变片来量测试件的纵向应变和横向应变,应变片的大小采用50mm×4mm。同时,为了更加准确测量试件的纵向变形,在另两个侧面上,安放自制的夹式位移引申计,测量标距为70mm。试件的连接采用粘贴式,试件两端采用中国科学院大连化学物理研究所生产的JGN-Ⅱ型建筑结构胶(其抗拉强度大于35MPa,抗剪强度大于18MPa)和带有螺孔的足够厚的钢板粘结,钢板通过螺栓固定在试验机的加载头上。结构原理图如图1(a)和图1(b)所示。试验时,通过液压伺服系统控制作动头的运动来对试件加载。加载大小及频率通过控制系统发出的电信号及频率来进行。在加载前,调整好试件与设备连接螺栓的松紧程度,并初步对试件进行几何对中,然后对试件施加0.5kN左右的荷载,调节四根钢杆螺母的松紧程度对试件进行物理对中,使加载时试件受力均匀。同时,由于试验机安装了球铰,能够自动校正微量的偏心。2.3应变速率的确定试验所取的应变率分为四个等级,分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s,并取10-5/s为准静态应变率。先对试件施加不同应变率的荷载历史,荷载历史的最大值分别取为相同应变率情况下试件抗拉强度的45%、60%、75%三种情况,然后按照相同的应变率卸载。最后,对受到荷载历史作用的混凝土试件进行相同应变率作用下的全曲线试验分析,研究荷载历史对混凝土动态抗拉强度、动态变形特性和动态损伤特性的影响。3试验结果与分析3.1相同应变率下,混凝土强度混凝土经历受拉荷载历史后,会对混凝土造成不同程度的损伤,损伤的存在必然会对混凝土抗拉强度造成影响。通过对试验结果进行分析,得到历经不同应变率、不同大小的荷载历史后混凝土抗拉强度如表1所示。从表1中可以看出,相同应变率下,经历荷载历史后,混凝土抗拉强度的平均值有所降低。相对于未历经荷载历史,混凝土历经了45%、60%和75%极限强度后的平均抗拉强度对于应变率为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s时分别降低了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,可以看出混凝土历经荷载历史对混凝土产生了损伤,并且历经荷载历史越大,产生的损伤越大,而且损伤大小有随着应变率增加而增加的趋势。同时,也可以从表1中看出,历经相同的荷载历史后,随着应变率的增加,混凝土的强度相应增加了。3.2试件荷载历史混凝土经历荷载历史作用,促使混凝土内部的初始损伤发展和造成新的损伤产生,因而经历荷载历史后混凝土内部损伤会使混凝土的动态特性发生改变。图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别给出了应变率为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s时,混凝土试件所历经荷载历史分别为抗拉强度的0%、45%、60%和75%后的应力-应变全曲线。从图2中可以看出:历经加载历史后混凝土的全曲线发生了变化,荷载历史越大,全曲线变得越平缓。说明,历经荷载历史后,混凝土的损伤特性发生了变化,所历经的加载荷载越大,混凝土所受到的损伤越大。3.3引气剂掺量的影响临界应变定义为混凝土峰值应力处的应变。邱玲等通过在混凝土试件中掺入不同数量引气剂模拟初始损伤的方法,研究了损伤随应变的演化规律,从其研究中可以得出,随着引气剂掺量的增加,即初始损伤的增加,临界应变逐渐增大。表2给出了本文试验中,混凝土经历荷载历史后,不同应变率时的受拉临界应变值的情况。从表2中可以看出,临界应变离散性较大,但从其平均值来看,在不同应变率下历经不同荷载历史后,尽管对混凝土造成了损伤,但对临界应变的影响并不明显;同时从表2中还可以看出,不同应变率下,历经相同的荷载历史,临界应变随着应变率的增加而略有增加。3.4应变率对混凝土损伤的影响混凝土历经荷载历史,内部产生损伤,而不可恢复的损伤对混凝土再次加载时的损伤特性产生较大的影响。本文定义混凝土的损伤为混凝土切线模量的退化,即用如下公式计算混凝土的损伤:式中:D指损伤值;E0指初始切线模量;Ec指任意应力水平比对应的切线模量。表3给出了混凝土在不同的应变率情况下,历经不同大小的荷载历史对混凝土损伤应力槛值比(损伤应力槛值与极限抗拉强度之比)的影响。从表3中可以看出,在各种不同应变率下,混凝土经历荷载历史后,同一应变率下混凝土损伤应力槛值比降低了,而且荷载历史越大,损伤应力槛值比降低得越大;在同一大小加载历史下,损伤应力槛值比随着应变率的增加而增加。根据本文损伤定义,对混凝土典型的应力-应变曲线进行了损伤分析,研究了荷载历史对混凝土损伤值在应力空间和应变空间的影响。图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别给出了应变率为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s时,混凝土试件所历经荷载历史分别为抗拉强度的0%、45%、60%和75%后在应力空间内的损伤情况,图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)分别给出了应变率为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s时,混凝土试件所历经荷载历史分别为抗拉强度的0%、45%、60%和75%后在应变空间内的损伤情况,其中,σ、ε为任意应力值、应变值,σm、εm为混凝土极限荷载时对应的应力值、应变值。从图3和图4中可以看到混凝土损伤演化发展的3个阶段:损伤未发展阶段,混凝土未发生损伤或损伤很小;损伤稳定发展阶段,混凝土损伤随着荷载的增加稳步增长;损伤不稳定发展阶段,混凝土损伤随着荷载的增加而急剧增加直至混凝土发生破坏。从图3和图4中可以看出,无论是在应力空间还是在应变空间,混凝土历经荷载历史后,混凝土损伤未发展阶段变短,历经荷载历史越大,损伤未发展阶段越短,即混凝土的损伤槛值变得越小;同时,也可以看出,在相同的应变率条件下,历经荷载历史后,在相同的应力比和应变比情况下,混凝土的损伤值增加了。4加载荷载的影响(1)在相同应变率下,经历荷载历史后,混凝土抗拉强度降低;历经相同的荷载历史,随着应变率的增加,混凝土的强度相应增加了。(2)历经荷载历史后,混凝土的应力-应变曲线发生了变化,所历经的加载荷载越大,混凝土所受到