应变率对混凝土抗压特性的影响

　　基金项目：国家自然基金重点资助项目（59739180）随着西部大开发战略的全面实施，21世纪我国将有许多混凝土高坝在西南等高烈度地震区进行建设，如高292m的小湾拱坝、278m的溪落度拱坝都将要相继开工建设。高坝的地震响应和抗震特性关系到下游广大地区经济建设和人民生命财产的安全。对于高坝地震响应和抗震特性的研究，国内外都已经进行了许多，从线性分析到非线性分析，从高坝单体分析到坝-基-水相互作用分析，都取得了长足的进步和可喜的成果。但是，在高坝的抗震安全评价中关于混凝土材料动力特性的研究还比较粗略，只是将混凝土的动强度简单地提高30，也取得了许多成果，在某些方面也已分别在试验的基础之上建立了混凝土的单轴抗压率型本构模型，但是，这么多年来并没有一个比较理想的率型本构模型被人们所采用。一方面是因为研究者所采用的试验设备、试验方法以及混凝土试件的不同，导致了试验结果还有比较大的差异甚至是完全相反的结论；另一方面也是因为还没有找到一条比较好的途径来处理试验结果与建立率型本构模型之间的关系，几乎绝大多数研究者都把混凝土动态特性的变化关系（如强度的增加，弹性模量、泊松比等的变化）建立在混凝土的总应变率变化之上，然而，方秦、钱七虎661经过分析与计算指出：以总应变速率为粘性参数建立的粘塑性本构模型与经典粘塑性理论不一致，且与试验结果相差较大，而以粘塑性应变速率为粘性参数建立的粘塑性本构模型能够较好地描述材料的动态特性，而且与试验结果吻合得较好。因此，为了更加合理的建立混凝土的率型本构模型，建立混凝土动态强度及变形特性与混凝土粘塑性应变率之间的关系是一项十分必要的工作。

　　综合以上所述原因，为了适应我国混凝土高坝建设的需要，在充分考虑大坝混凝土特性的基础之上，研究了应变率对混凝土动力强度、刚度、泊松比等动力特性的影响，系统地分析和研究了混凝土屈服强度与内变量及混凝土极限抗压强度与内变量变化率之间的关系，混凝土抗压强度及变形特性与应变率之间的关系，为建立混凝土率型本构模型打下了坚实的基础。

　　1试验原理与方法试验采用大连理工大学结构试验室的MTS伺服疲劳机进行加载，试验夹具自行设计。结构原理如所示。试件米用100mmxlOOmmx300mm的棱柱体，试验时放在圆盘的中间。试件每个侧面的中心交叉贴有两个50mmx5mm的纸基应变片。试验前要对试件进行对中。首先调整试件位置，使其基本位于设备的几何中心；然后施加1kN左右的初始压力，调节做动头与底座之间四根螺杆的松紧程度，使试件四个侧面上的竖向应变基本相等；然后拧紧螺母，释放初压。这样就能保证试件在试验过程中基本上处于中心受压状态。

　　试验时，除了用八个应变片测量混凝土的应变外，还在一对相对的面上用自制的夹式引申计测量试件的竖向变形，测量长度为200mm，另一对面上用同样的方法测量其横向变形，测量长度为80mm.荷载、应变和位移均通过动态应变仪和采集板同计算机相连，采用水科院研制的CDSP软件进行数据采集。采样频率按应变率的不同而不同，*高可达10000次/s；加载系统采用MTS伺服疲劳机自动加载，加载频率、幅值均按所控制的应变率的要求而定。

　　试验主要研究高拱坝在地震荷载作用下（应变率范围为10-5~10-2/S）混凝土的抗压特性。所研究的应变率分为五级，分别为10-5，104，10-3，10-2和10-1/（，其中取10-5/（为准静态应变率。以试验为基础，主要研究混凝土在高应变率时的抗压强度、变形特ffi弹性模量、泊松比）的变化，从而为混凝土率型本构模型的建立打下良好的基础。

　　2试验结果与分析钢模在振动台上浇注成型。水泥采用425普通硅酸盐水泥，骨料为碎石，*大粒径为20mm，砂子为河砂。试件浇注成型1d后拆模，用草袋覆盖洒水养护一周后在室温下自然养护。

　　2.1应变率对混凝土抗压强度的影响由于混凝土动力试验受到试验设备、。

　　表1混凝土动态抗压强度应变率/（-1强度/平均从表1可以看出，随着应变率的增加，混凝土的平均抗压极限强度相应地也增加了。以应变率和1"/射，混凝土的平均抗压强度分别增加了4.8%、9.0%、12.0%和15.6% David直接从9座混凝土坝中取出105块试件进行静动力试验，静力试验的应变率为10104/（动力试验的应变率为103/s，结果混凝土的抗压强度平均增加了7%，与本文的试验结果符合得较好。混凝土强度的增加主要是由于随着应变率的增加，混凝土在破坏时砂浆基体内部微裂缝来不及充分扩展，因而导致了混凝土骨料的破坏，应变率越高，混凝土骨料破坏得越多，从而混凝土的强度就越大。本试验现象也能明确地解释这个结论：从裂缝形式来看，随着应变率的增加，混凝土破坏裂缝越来越接近直线；从破坏断裂面上来看，也发现了破坏骨料明显增多的现象。

　　在单轴受压情况下，通过对试验结果进行分析，可以假设混凝土屈服强度与内变量及内变量变化率之间存在如下关系设的函数关系。

　　经过对试验结果进行分析，混凝土屈服强度与内变量之间的函数关系（"（！"）-！"）如所示，混凝土极限抗压强度与内变量变化率之间的！"为等效塑性应变，图Xb）中取！"为等效塑性应变功。从中可以看出，混凝土在达到其抗压强度的706以前，没有塑性应变产生，因而可以认为其处于线弹性状态。随着塑性应变的增加，混凝土屈服强度增加，达到极限抗压强度后，屈服强度开始降低。从可以看出，随着塑性应变速率的增加，混凝土极限抗压强度发生了明显的增加，但随着塑性应变速率的增加，强度的增加值变小。图中折线为拟合的近似分段曲线，可在计算中采用。

　　2.2应变率对混凝土变形特性的影响典型应力应变曲线2.2.2泊松比对混凝土泊松比与应变率关系的研究尚不多见，但一般认为混凝土在受压时，随着应变率的增加，混凝土在同一应力水平时内部的微裂缝减少了，因而导致了泊松比的减小。Takeda和Tachikawa413，Idem414，Horibe和Kobayashi4151，尚仁杰在试验中还发现在高应变率时在给定应力水平下泊松比*多减小了40M.通过对试验结果进行整理与分析，所得混凝土泊松比如表2所示，从表中可以发现混凝土的泊松比离散性较大，*大值达到了0.20，但*71994-2015ChinaAcademicournal 2.2.1变形模量对于混凝土动态特性，主要集中在对其抗压强度变化的研究上，对其变形特性的研究并不多见，而且结论也是众说纷纭。Watstein48和neS发现随着应变率的增加混凝土的切线模量增加了，Dilger44和Ahmad48却在试验中发现应变率对混凝土切线模量没有影响。是本文实验几条典型的应力应变曲线，从来看，混凝土在受载初期处于弹性阶段，应力应变曲线基本上为一直线。图中曲线也表明混凝土初始切线模量随着应变率的增加而增加了，经过分析，发现混凝土的初始切线模量由应变率为10"5/！时的1.23xl04MPa增加到应变1.48xl04、1.60xl04MPa.对于混凝土极限压应变率的说法也不一样，Hughe！410和Dilger445认为混凝土的极限压应变随着应变率的增加而降低，Wat！tein48，Takeda411和Ahmad4125认为混凝土的极限压应变随着应变率的增加而增加了。从本文的试验结果及典型应力应变曲线图看来，混凝土的极限压应变随着应变率的增加而略有降低。

　　小值只有0.13，但从平均值来看并未发现泊松比随着应变率的增加发生明显的改变。

　　表2混凝土泊松比应变率/s-1泊松比平均3结论随着应变率的增加，混凝土的平均抗压强度相应地增加了。当应变率为1010-10-010-1/s时，抗压强度分别比准静态抗压强度平均增随着塑性应变的增加，混凝土屈服强度增加，达到极限抗压强度后，屈服强度开始降低；随着塑性应变率的增加，混凝土极限抗压强度发生了明显的增加，但随着塑性应变速率的增加，强度的增加值变小；随着应变率的增加，混凝土的初始切线模量增加了，*大应力时的平均应变值有所降低；混凝土泊松比的平均值随着应变率的增加没有明显的改变。

　　地震荷载作用下大坝等结构各部位所承受的应变率不同，其强度和刚度都将发生不同程度的变化，研究成果对于合理进行大坝等结构的抗震安全评价，将提供有效的；同时，研究还将进一步深入，继续探讨应变率对大坝混凝土动态特性的影响，为混凝土率型本构模型的建立打下基础。