混凝土劈拉特性的率效应研究

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大型混凝土结构在使用过程中,除了承受静态荷载作用外,都不可避免地要遭受地震、爆炸、冲击等动态荷载作用,如地震荷载对各种工程结构的作用、桥梁及高耸构筑物受风荷载的作用、海浪对海岸及海上采油平台的冲击、驳船对港口码头的撞击、车辆对道路设施的碰撞、核电站的防护外壳要经受导弹或者其它冲击荷载的撞击以及水坝要承受动水压力作用等。尽管动态荷载并不是时刻都作用在混凝土结构上,但由于其不可预知性以及对结构产生严重的破坏性,动态荷载成为结构设计过程中必须考虑的重要因素。  混凝土在动态荷载条件下的力学性能明显不同于其在静态荷载条件下的力学性能,而且混凝土的抗拉强度远低于其抗压强度,混凝土的动态抗拉强度在某种程度上对结构的安全性和可靠性起着决定性作用,混凝土的动态受拉破坏需要得到特别的关注。因此,对混凝土在动态荷载作用下抗拉特性的研究是一项十分重要的工作。  本文在国家自然科学基金(51279092)的资助下,利用三峡大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制生产的10MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪进行了不同条件下混凝土的动态劈拉试验,并利用声发射技术对混凝土劈拉加载破坏过程进行了实时监测。本文具体工作内容及研究结论主要有以下几方面。  1)针对尺寸大小为Φ150×150mm的混凝土试件采用不同加载方式以及针对不同尺寸大小Φ150×150mm、Φ150×200mm的混凝土试件,进行不同应变速率(10-5/s-~10-2/s)下的劈拉试验。对劈拉强度、峰值应变、弹性模量和吸能能力等物理力学参数的变化规律进行了统计分析,进而研究了混凝土材料在不同试件尺寸大小以及不同加载方式条件下的基本物理力学参数的率效应特性以及对轴向加载和径向加载时混凝土劈拉强度变化机理进行分析。研究表明,混凝土的劈拉强度随应变速率的增加而提高,存在明显的速率效应;劈拉强度和应变速率的对数成近似线性增长关系;混凝土的吸能能力随应变速率的增加而提高;相同直径大小,不同厚度混凝土试件的劈拉强度不同,在同种应变速率下,试件厚度越大,劈拉强度越大;轴向加载时的劈拉强度比径向加载时的劈拉强度小。  2)针对尺寸大小为Φ150×150mm干燥和饱和混凝土试件在不同应变速率(10-5/s~10-2/s)下进行了劈拉试验。对劈拉强度、峰值应变、弹性模量和吸能能力等物理力学参数的变化规律进行了统计分析,进而研究了混凝土材料在动态劈拉作用下的基本物理力学参数的率效应特性,并且对干燥混凝土和饱和混凝土的劈拉强度变化机理以及含水率对劈拉强度的影响进行了分析。研究表明,干燥混凝土与饱和混凝土的劈拉强度随应变速率的增加而提高,饱和混凝土劈拉强度的率敏感性更高;劈拉强度和应变速率的对数成近似线性增长关系;干燥混凝土与饱和混凝土的吸能能力随应变速率的增加而提高。  3)依据试验数据,建立了干燥混凝土试件与饱和混凝土试件在不同应变速率下的应力、应变时间曲线与同步声发射参数之间的对应关系,在此基础上探索了混凝土在劈拉损伤破坏全过程中的声发射特性,分析了能量释放特性随应变速率变化的规律,进而基于声发射技术对比分析了干燥混凝土与饱和混凝土劈拉损伤特性;构建了基于统计理论的动态劈拉本构模型,并针对模型进行了试验验证,表明新建模型能较好地拟合试验数据。
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