变幅循环荷载作用下混凝土的单轴拉伸特性
超高性能混凝土(UHPC)动态损伤机理综述
2021 No.4April2021年第4期4月混凝土与水泥制品CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 超高性能混凝土 (UHPC 冤动态损伤机理综述吴永魁，姚一鸣(东南大学土木工程学院，江苏南京210000)摘要：总结分析了超高性能混凝土(UHPC )现有研究成果，综述了其超高性能机理、单调拉伸和循环荷载下的本构关系、低周期疲劳状态下的损伤过程及微观损伤机理等，并对未来的研究方向提出了建议。
关键词：超高性能混凝土；协同效应；本构关系；微观机理中图分类号:TU528.31文献标识码:A doi:10.19761/j.1000-4637.2021.04.001.06Review of Dynamic Damage Mechanism of Ultra-high Performance ConcreteWU Yong-kui, YA O Yi-ming(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210000, China)Abstract: Based on the summary and analysis of the research works of UHPC, the ultra -high performancemechanism of UHPC, the constitutive relation under monotone tensile and cyclic loads, the damage process under lowcycle fatigue and the microscopic damage mechanism were summarized. Some suggestions for the future research direction were also provided.Key words: Ultra-high performance concrete; Synergistic effect; Constitutive relation; Microscopic mechanism0前言普通混凝土脆性大、抗拉强度低，尤其是在动态荷载下抗裂性能差，难以满足当今建筑对安全性及耐久性的要求。
混凝土单轴直接拉伸受力分析
混 凝 土 单轴 直 接 拉 伸 受 力分 析
黄 俊 ， 弘道 姜
２０ ９ ） １０ ８ （ 河海 大学 土木工程学院 ， 江苏 南 京
摘 要 ： ３种直接 拉 伸试验 方式 （ 对 内埋 式 、 夹式和 粘贴 式 ） 外 下混凝 土试 件各 点 的应 力分布 状 况进 行
了有 限元数 值 分析 ， 获得 混凝 土单 轴 直接 拉 伸 应 力 一 变全 曲线 所 需 的条 件进 行 了探 讨 ， 对 试 对 应 并
件在 两端粘 贴 受力方 式 下辅 以刚性 架装 置后 刚性 架拉 杆 刚度 、 置对 试件 受 力 的影 响进 行 了研 究 ． 位
结果 表 明 ： 两端粘 贴加 载 方式 可使 试 件各 点应 力 分 布更 加 均 匀 ， 力集 中程 度 较 低 ； 小 刚性 架 的 应 减 高度 、 大刚 性 架的截 面积 有利 于获得 完整 的应 力一 变全 曲线 ． 增 应
维普资讯
第３ ４卷第 ３期
２Ｏ ０ ６年 ５月
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｏａ Ｕ ｉ ｒｔ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅ） ｏｒａ ｏ ｈｉ ｎ ｅ ｉ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃｓ Ｈ ｖ ｓｙ ｕ ｅ
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２０ Ｐ ， １ Ｇ ａ泊松 比为 ０ ３５ 混 凝 土 的弹 模 为 ２ Ｐ ， 松 比为 ．１； １ ａ泊 Ｇ
关键 词 ： 混凝 土 ； 直接拉 伸 ； 力分析 ； 应 刚性 架
混凝土的疲劳性能分析
混凝土的疲劳性能分析一、概述混凝土是广泛应用于建筑物、桥梁、道路等工程中的一种重要材料。
在使用过程中，混凝土可能会受到反复的荷载作用，这种荷载作用可能会导致混凝土的疲劳破坏。
因此，混凝土的疲劳性能是工程设计和安全评估中需要考虑的关键因素之一。
本文将对混凝土的疲劳性能进行分析，并探讨影响混凝土疲劳性能的因素。
二、混凝土疲劳性能的基本概念混凝土的疲劳性能是指在反复应力作用下，混凝土的抗裂、抗剪强度等力学性能的变化情况。
混凝土的疲劳性能可以用循环荷载试验来进行评估。
循环荷载试验是指在一定的应力水平下，反复施加荷载，观察混凝土的变形和破坏情况，以确定混凝土的疲劳性能。
循环荷载试验的结果可以用应力幅值与循环次数的关系曲线来表示，这个曲线称为疲劳寿命曲线。
三、影响混凝土疲劳性能的因素1.应力水平应力水平是指荷载作用下混凝土的应力大小。
应力水平越高，混凝土的疲劳寿命越短。
应力水平的大小可以通过循环荷载试验中的荷载幅值来控制。
2.荷载频率荷载频率是指荷载施加的频率。
荷载频率越高，混凝土的疲劳寿命越短。
荷载频率的大小可以通过循环荷载试验中的循环次数来控制。
3.混凝土强度混凝土的强度是指混凝土在单轴拉伸、压缩、剪切等应力状态下的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等指标。
混凝土的强度越高，混凝土的疲劳寿命越长。
4.混凝土配合比混凝土配合比是指混凝土中水泥、砂、石子等原材料的配比。
混凝土配合比的影响因素很多，包括水灰比、砂率、石子率等。
合理的混凝土配合比可以提高混凝土的强度和耐久性，从而延长混凝土的疲劳寿命。
5.混凝土的龄期混凝土的龄期是指混凝土浇筑后的时间。
混凝土的龄期越长，混凝土的强度越高，疲劳寿命越长。
混凝土的龄期也会影响混凝土的收缩和膨胀性能，从而影响混凝土的疲劳寿命。
6.环境因素环境因素包括温度、湿度、盐雾、氧化等因素。
环境因素对混凝土的疲劳性能有很大影响。
例如，在高温环境下，混凝土的强度和疲劳寿命都会降低。
四、混凝土疲劳寿命曲线混凝土疲劳寿命曲线是指在循环荷载试验中，应力幅值与循环次数的关系曲线。
混凝土的疲劳特性及测试方法
混凝土的疲劳特性及测试方法一、前言混凝土是建筑领域中最为广泛使用的材料之一，具有强度高、耐久性好等特点，但在长期使用过程中，由于外部环境的影响，混凝土会发生疲劳损伤，影响其使用寿命。
因此，了解混凝土的疲劳特性及测试方法对于建筑领域中混凝土结构的设计、维护和修复具有十分重要的意义。
二、混凝土的疲劳特性1. 疲劳的定义疲劳是指在反复的载荷作用下，材料或结构发生的渐进性损伤和变形，最终导致破坏的现象。
混凝土的疲劳是指在反复的荷载作用下，混凝土逐渐失去强度和刚度，最终导致混凝土破坏的现象。
2. 疲劳的影响因素混凝土的疲劳受到多种因素的影响，主要包括以下方面：（1）荷载的类型和大小：在相同的荷载作用下，不同类型和大小的荷载对混凝土的疲劳损伤程度不同。
（2）荷载的频率：荷载频率高的情况下，混凝土受到的疲劳损伤程度也会更高。
（3）混凝土的强度和韧性：强度和韧性高的混凝土对疲劳荷载的耐久性更好。
（4）混凝土的含气量和水泥石比：含气量高和水泥石比低的混凝土对疲劳荷载的耐久性更好。
3. 疲劳的破坏形式混凝土在疲劳作用下，主要表现为以下几种破坏形式：（1）裂纹扩展：混凝土中的裂纹在荷载作用下逐渐扩展，最终导致混凝土破坏。
（2）变形增大：在疲劳荷载作用下，混凝土逐渐失去刚度和强度，变形逐渐增大。
（3）失稳破坏：在疲劳荷载作用下，混凝土的失稳破坏是混凝土破坏的最终形式。
三、混凝土的疲劳测试方法1. 疲劳试验机疲劳试验机是研究材料或结构疲劳性能的重要设备，可以模拟实际工程中的荷载作用，进行疲劳试验。
常见的疲劳试验机有万能试验机、全自动疲劳试验机等。
2. 荷载类型疲劳试验中，荷载类型包括单轴拉伸、单轴压缩、双向剪切等。
不同荷载类型对混凝土的疲劳损伤程度不同。
3. 荷载参数疲劳试验中，荷载参数包括频率、振幅和载荷比。
频率越高，混凝土的疲劳损伤越大；振幅越大，混凝土的疲劳损伤越大；载荷比的大小对混凝土的疲劳损伤有很大影响。
4. 试验方法疲劳试验中，主要有正弦波疲劳试验、方波疲劳试验等方法。
循环荷载作用下型钢高强高性能混凝土框架柱受力性能试验研究
循环荷载作用下型钢高强高性能混凝土框架柱受力性能试验研究【摘要】为了研究型钢高强高性能混凝土框架柱的抗震性能，设计了9个框架柱的试件，将试件在不同的含钢率、轴压比、体积配箍率等加载制度下的型钢高强高性能混凝土框架柱试件进行低周反复加载试验，由试验获得了型钢高强高性能混凝土框架柱的主要破坏形态，并根据实验结果充分的对不同的加载制度的骨架曲线、滞回曲线、刚度和强度退化以及变形能力等力学性能对框架柱的影响进行了分析，并对不同加载方式的试验结果进行了理论诠释。
试验结果表明随着循环次数和位移幅值的增加，试件的刚度、强度不断退化，框柱根部的混凝土保护层外鼓并大面积脱落，里面的箍筋、纵筋裸露出来，部分纵筋在压力下发生弯曲，但是由于型钢的支撑以及型钢翼缘框对核心区混凝土的约束，试件刚度和强度衰减较为缓慢；延性较好。
【关键词】循环载荷；混凝土框架柱；抗震性能；实验研究引言型钢混凝土框架是由型钢混凝土框架柱和框架梁组成，框架梁可以采用钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁或钢梁。
型钢高强高性能混凝土组合具有结构刚度大、承载力高的优点，该结构充分发挥了混凝土材料的高抗压强度、高耐久性和优良工作特性的优点，其内置型钢可以明显地改善高强高性能混凝土脆性破坏的特征。
通过对型钢混凝土框架结构在使用过程的损害情况调查发现，框架柱的震害情况往往比框架梁和其它构件的损害要严重的多，所以框架柱的震害成为直接导致整个型钢混凝土框架结构破坏和倒塌的主要原因。
但目前人们对型钢高强高性能混凝土框架柱的抗震特性研究很少，大部分的研究都是是针对型钢普通混凝土或高强混凝土框架柱的抗震性能开展的。
为此，课题组首先对型钢高强高性能混凝土框架柱反复的进行加载试验，观察试验过程中型钢高强高性能混凝土框架柱的破坏形态、受力特点和变形特征及延性性能等等，在此基础上提出了型钢高强高性能混凝土框架柱的刚度、强度、延性的计算理论和设计方法。
1 试验概况1.1 框架柱试件的设计为保证试验的效果，首先对框架柱试件进行了参数设计，本次试验共设计了9个框架柱的试件，试件的宽度尺寸均为150mm ，高度尺寸均为 210mm。
混凝土单轴、双轴动态强度和变形试验研究共3篇
混凝土单轴、双轴动态强度和变形试验研究共3篇混凝土单轴、双轴动态强度和变形试验研究1混凝土单轴、双轴动态强度和变形试验研究一、单轴动态强度试验单轴动态强度试验是一种常见的混凝土动态强度测试方法。
通过在混凝土试样上施加单轴动态载荷，可以研究混凝土在不同载荷频率下的破坏特性，以及混凝土的动态强度。
单轴动态强度试验的测试流程如下：首先选择合适的混凝土试样，并进行预处理，如养护、保湿等。
之后在试样两端安装载荷传感器，将试样放置在试验机上，施加单轴动态载荷，同时记录载荷和变形数据。
根据试验数据可以得到混凝土在不同载荷频率下的抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数。
同时还可以研究混凝土的动态力学响应和破坏模式，进一步揭示混凝土的内部结构和力学特性。
二、双轴动态强度试验双轴动态强度试验是一种较为复杂的混凝土动态强度测试方法。
通过在混凝土试样上施加双轴动态载荷，可以研究混凝土在不同载荷频率下的破坏特性，以及混凝土的动态强度。
双轴动态强度试验的测试流程如下：首先选择合适的混凝土试样，并进行预处理，如养护、保湿等。
之后通过调整试验机的双轴载荷控制系统，同时施加两个垂直方向的动态载荷，记录试样的应力和应变数据。
根据试验数据可以得到混凝土在不同载荷频率下的破坏特性和双轴强度。
同时还可以研究混凝土的动态力学响应和破坏模式，进一步揭示混凝土的内部结构和力学特性。
三、变形试验变形试验是研究混凝土变形特性的重要试验方法。
通过在混凝土试样上施加不同的变形载荷，可以研究混凝土的弹性变形、塑性变形、极限变形等特性。
变形试验的测试流程如下：首先选择合适的混凝土试样，并进行预处理，如养护、保湿等。
之后将试样放置在试验机上，通过控制试验机的变形载荷控制系统，施加不同的变形载荷，同时记录试样的应变数据。
根据试验数据可以得到混凝土的应变-应力关系曲线，以及混凝土的弹性模量、泊松比等力学参数。
同时还可以研究混凝土的变形特性，揭示混凝土的力学特性和内部结构。
不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究
不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究范向前;胡少伟;陆俊;陈启勇【摘要】In order to study the effects of different initial damage’s on the dynamic axial tensile strength of concrete, tests were conducted with 5 groups of concrete prism specimens under conditions of the same initial load amplitude range (1 kN to 5 kN),the same frequency (5 Hz),the same strain rate(1 0 -4/s),and different loading cycles,by using an advancedMTS-NEW81 0 dynamic testing machine.The results showed that when the initial damage level of concrete prisms incredses,their fracture sections are more smooth and the numbers of broken coarse aggregates are less;with increase in initial damage level, some irreversible deformations appear in concrete specimens, and irreversible deformations increase obviously;the initial damage level doesn’t obviously affect the rising part of stress-strain relationship curves of concrete specimens,the initial damage level has little influence on their dynamic axial tensile strengths and peak strains as well.%利用MTS－NEW810动态试验机，通过对30根混凝土棱柱体试件施加应力幅值为1 kN到5 kN、频率为5 Hz、应变速率为10－4／s的5组不同循环荷载，研究不同初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸特性的影响。
循环荷载作用下SMA-PSRCW结构力学性能影响因素分析
Vol. 41 No. 1Feb.4021第41卷第1期2021年2月地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICS文章编号：1000 -1301(2021)01 -0025 -10DOI ： 10.13197/j. ibv. 2021.0125. pbq. 004循环荷载作用下SMA-PSRCW结构力学性能影响因素分析裴强1崔晓波3,崔迪2,吴聪1(1.大连大学建筑工程学院,辽宁大连110622； 2.大连交通大学土木工程学院,辽宁大连110025)摘要:为了研究形状记忆合金(SMA)连接件对半刚接钢框架内填钢筋混凝土墙结构(PSRCW 结 构)受力性能的影响情况，在已有试验研究的基础上，建立了 SMA-PSRCW 结构的计算模型,对结构在循环荷载作用下的整体受力性能进行了数值模拟研究，考虑了配筋率、混凝土强度、内填墙厚度以及连接件布置位置和数量等因素对结构的滞回性能、骨架曲线、刚度退化、耗能能力及等效黏滞阻尼 系数等力学性能的影响,并根据SMA 连接件所承担的荷载比例分析了它在PSRCW 结构中的传力机 理。
结果表明:增大配筋率、提高混凝土强度、增大内填墙厚度以及增加连接件的数量都可以提高结构的极限承载力和抗侧刚度，但上述影响因素增大或增加到一定程度后，等效黏滞阻尼系数反而会下降。
此外，混凝土强度和内填墙厚度的变化对试件极限承载力的影响更为显著;相比于竖向连接件,水平方向连接件对结构的承载力和耗能能力的影响起主要作用。
因此，进行SMA-PSRCW 设计时，在保证结构承载力和抗侧刚度的情况下，应综合考虑耗能能力来确定结构的各项参数。
关键词:形状记忆合金；半刚接；连接件；滞回性能；数值模拟；参数分析中图分类号:TU398J2 文献标识码:AAnalysis of influence factors on mechanical properties of SMA-PSRCWstructure endro cyclic lordingPEI Qiang 1, CUI XiaoOo 1, CUI Di 2, WU Cong 1(1. School of Civil Engigeering ang Architecture , Dalian University , Dalian 116622, China;2. School of Civit Engineering , Dalian Jiaotong University , Dalian 116028 , China)Abstroct : To igvestiaatv tUv inflrevct of shdpv memory alloy ( SMA ) connectors cm tUv mechanicti pepertivs ofsemi-Pgin steel framr infilleV with reinforcer concreie wali (PSRCW strectrry )，U c effect of SMA co U cmechanicti paprties of PSRCW staictcra was stuCiecl. O v the Oasis of the existing experimeetai reseerch ，the cei- chldtiog monel of SMA-PSRCW staictcra Odsed ov SMA corniectoa is estaniishee ，ang the overali mechanichi peaOrmdgch of the stractcra cngec cyclic loai is stuCiee Oy csing numericti simulation methop. TV c factors such as reinforcemeei rativ ，cogcate stangth ， thichvess of infillee wali - dmgemegt position ang ngmOec of congectorc arc tanee inth accongt V oc the hysVatic performavco ，sUeleton ctae ang rigidity eeeranation ， eeerac eissination copacite ang eeuivaleet viscons eamping coefOcieet. Meenwhiie ，the forct tansfer mechanism of SMA congectoa收稿日期：2020 -06 -15；修订日期：2022 -09 -05基金项目：国家自然科学基金项目(517810 ,5137805)；辽宁省博士科研启动基金项目(20170520299)；辽宁省重点研发计划指导计划项目(2019JH8/10100091)Supported by ： Nationai Natural Science FonuVation al Chiva ( 5137/105,5137/055 )； Liaoning Provigce DocUaai Research Staa-up Fung(20170520299) ； Liaoning PaVgce Key R&D Program Guinagce Program (2019JH5/10100091)作者简介:裴 强(1974 - )，男，教授，博士，主要从事结构抗震研究.E-mail ：pqiem@ 167. com通讯作者:崔 迪(197/ - )，女,副教授，博士，主要从事结构抗震、智能材料结构研究.E-maii :2tigip@ 103. com26地震工程与工程振动第41卷in PSRCW structure is analyzed according to the load ratio of SMA connectors. The results show that the ultimatebearing cdpacity ang laterat stiOaesu of the stuicturu con bc improved by iacrecsing the reinforcemeci ratio , the con crete strength , the tOicOaess of infilled wait ang the nambae of connectors. Howevae , the eduivalegt viscons damp ingwilt decrease whea the dboyv factore igereasu h p ceeain 6x 1^0 Ig anclition , the inaueeco of thecogcee streagth ang the taicCgess of infilled wait on t he ultimate beaeng cdpacito is more sionificona Comparedwith veeicot aongectors , eorizontat congectore pty n major rota in the strectue's beaeng cdpacito ang eaerez dissi pation canncitz- TheefOTe , in thc desing of SMA-PSRCW , ungce thc congition of asudna thc bearing cdpacity ang thc laterat stimness of thc strecture , thc eaerez dissination ccpacity sUonly bc consinerea to determigc thc paramc-U c of thc steicturc.Keywords ： sUdpc memore alloz ; semi-PgiO ； congectos ； hysUcsis beaavios ； numedcot simulation ； parametes analysis引言半刚接钢框架内填钢筋混凝土墙结构(p admVy-restraiged steel frame with reinforced concrete infilt waits ,PSRCW )是刚性连接节点的钢框架和内 共同作用的 结构，如图1所示。
混凝土单轴应力—应变关系的平行杆系模型
混凝土的单轴应力-应变关系可以通过平行杆系模型进行描述，其模型如下：
弹性阶段：在应力小于混凝土的极限抗压强度时，混凝土呈现出线性弹性特性。
此时，单轴应力与应变之间的关系为：
σ= Eε
其中，σ为单轴应力，E为弹性模量，ε为应变。
屈服阶段：当应力超过混凝土的极限抗压强度时，混凝土开始出现非线性变形。
此时，单轴应力与应变之间的关系可以通过平行杆系模型进行描述，即：
σ= αε+ β[ε-(ε/εm)^n]
其中，α为刚度系数，β为偏心系数，ε为应变，εm为混凝土的极限应变，n为非线性指数。
在该模型中，第一项为刚度变形，其斜率为刚度系数α，第二项为偏心变形，其形式为一个拱形曲线，曲线的顶点为混凝土的极限应力和极限应变，拱形曲线的偏心距为偏心系数β。
该模型可以较为准确地描述混凝土的应力-应变关系，因此被广泛应用于混凝土结构的设计和分析。
混凝土单轴直接拉伸受力分析
收稿日期:2004Ο11Ο22作者简介:黄俊(1971—),男,湖北麻城人,博士研究生,主要从事纤维混凝土的力学性能研究.混凝土单轴直接拉伸受力分析黄 俊,姜弘道(河海大学土木工程学院,江苏南京 210098)摘要:对3种直接拉伸试验方式(内埋式、外夹式和粘贴式)下混凝土试件各点的应力分布状况进行了有限元数值分析,对获得混凝土单轴直接拉伸应力Ο应变全曲线所需的条件进行了探讨,并对试件在两端粘贴受力方式下辅以刚性架装置后刚性架拉杆刚度、位置对试件受力的影响进行了研究.结果表明:两端粘贴加载方式可使试件各点应力分布更加均匀,应力集中程度较低;减小刚性架的高度、增大刚性架的截面积有利于获得完整的应力Ο应变全曲线.关键词:混凝土;直接拉伸;应力分析;刚性架中图分类号:T U501 文献标识码:A 文章编号:1000Ο1980(2006)03Ο0306Ο05混凝土拉伸力学性能的研究一直被众多研究者所关注,目前研究多采用劈裂拉伸试验[1Ο3],也有一些学者采用材料的弯曲试验来分析混凝土的拉伸性能.但这些都是间接拉伸试验,试件内部的应力状况比较复杂,间接拉伸试验不能真实地反映材料的抗拉强度.直接拉伸相对间接拉伸来讲,材料内部应力分布简单、均匀.窦庆峰等[4]对直接拉伸试验和劈裂试验进行了对比,得出直接拉伸试验较劈裂试验优越的结论.目前,国内外学者进行单轴直接拉伸试验主要采用3种加载方法:内埋式[5Ο9]、外夹式[10Ο13]和粘贴式[14Ο18].除此之外,一些学者[19Ο21]也采用其他类型的直接拉伸试验方法,但不常见.为了得到材料在纯拉情况下应力Ο应变全曲线,刚性架一直被广大研究者所采用,但很少有学者分析刚性架的刚度对材料受力性能的影响.事实上,刚性架的刚度若太小,不能达到增加试验机刚度的要求,也就无法得到拉伸曲线的下降段;刚性架的刚度若太大,图1 直接拉伸试验模型Fig.1 Models for direct tensile tests 则其所承受的荷载也越大,这对一些试验机的吨位来讲是不允许的.另外刚性架拉杆的大小和位置也对试件的受力有影响.1 混凝土单轴直接拉伸下的应力分析实际加载时,无论采用何种加载方式,都会造成一定程度的应力不均匀.下面仅就3种常见的直接拉伸受力进行有限元分析,并将分析结果与理论值进行对比.图1是常见的3种直接拉伸试验模型.1.1 内埋式与粘贴式直接拉伸图2 内埋式与粘贴式模型试件中部各点的应力分布Fig.2 Stress distribution in central section of specimen in embedded b ar m anner and glued plated grip m anner 对于柱状试件,其直接拉伸试验常采用内埋式和粘贴式模型,图2和图3是在这2种拉伸方式下试件中部和侧边的应力分布与理论值的比较.内埋式拉伸试件采用图1(a )模型,粘贴式拉伸试件采用图1(c )模型,模型尺寸为100mm ×500mm ,取模型的1/4为研究对象,采用平面应变单元进行分析.设试件所受的力为16kN ;钢棒和钢板的弹模均为210G Pa ,泊松比为01315;混凝土的弹模为21G Pa ,泊松比为0125.假定钢筋(钢板)与混凝土之间为完全黏结.由图2可知,采用粘贴钢板的方式对试件进行加力,应力值与理论值0116MPa 极为接近,比内埋式中部各点的应力分布均匀得多.图3为试件沿加载方向各点的应力分布情第34卷第3期2006年5月河海大学学报(自然科学版)Journal of H ohai University (Natural Sciences )V ol.34N o.3May 2006况,对于内埋式模型试件,应力离中部不远处就发生偏移,并且与理论值的差值逐渐增大;而对于粘贴式模型试件,只有当靠近粘贴钢板时,应力才与理论值有一定的误差,采用粘贴式模型试件对试件进行拉伸,即使在粘贴处应力集中也比内埋式小得多.因此这2种单轴直接拉伸方式比较而言,两端粘贴钢板的加载方式较好.图3 内埋式与粘贴式模型试件中部至端部各点应力分布Fig.3 Stress distribution from central section to end of specimen in embedded b ar m anner and glued plated grip m anner图4 外夹式与粘贴式模型试件中部各点应力分布Fig.4 Stress distribution in central section of specimen in steel plates connectingm anner and glued plated grip m anner 1.2 外夹式与粘贴式直接拉伸下面分别采用两侧外夹钢板和两端粘贴钢板的方法对薄板状试件进行受力分析.薄板的外形尺寸为300mm ×100mm ×30mm ,弹模为21G Pa ,泊松比为0125;外夹钢板或粘贴钢板的弹模为210G Pa ,泊松比为01315,采用三维有限元模型.由于薄板对称,可取模型的1/4作为研究对象.图4是混凝土试件分别在两侧外夹钢板和两端粘贴钢板的单向加载方式下中部各点应力值与理论值的比较情况.通过直接拉伸,粘贴式试件受力与理论值51333MPa 极为接近;而外夹式试件各点的应力分布则极不均匀.图5(a )是试件轴线中部沿轴线由中部至端部各点的应力分布情况,图5(b )为试件侧边沿轴向由中部至端部各点的应力分布情况.由图5可知,采用两端粘贴方式进行加载产生的应力集中程度较低.因此,无论从试件内部的应力均匀性还是从试件与外部装置接触处产生的应力集中程度看,采用两端粘贴式的加载方式比内埋式和外夹式加载方式更合理.图5 外夹式与粘贴式模型试件中部至端部各点处应力分布Fig.5 Stress distribution from central section to end of specimen in steel plates connecting m anner and glued plated grip m anner 2 试验装置的刚度分析与应力计算好的试验方法不仅能减小试件内部的应力集中程度,而且能使应力的分布尽可能均匀.姚武等[22Ο23]分703第3期黄 俊,等 混凝土单轴直接拉伸受力分析别对混凝土单轴应力Ο应变全曲线试验测定的条件和方法进行了介绍.伺服万能试验机已用于获得混凝土全曲线的下降段.但目前使用最多的仍然是普通液压万能试验机和电子万能试验机.一些学者利用刚性架在普通万能试验机上得到了完整的应力Ο应变全曲线[14].而要得到应力Ο应变全曲线,应注意以下两个方面:一是试件和刚性架之间的辅助装置不能太长;二是由于刚性架承担一部分荷载,刚性架的刚度形状对所承受的荷载有影响,因此提高了对万能试验机吨位的要求.因此对一般的试验装置进行应力分析,了解刚性架的刚度与刚性架所承担的荷载之间的关系是极为重要的.图6 刚性架拉伸试验装置模型Fig.6 T ensile test model with stiff frame 图6是采用带有刚性架装置的直接拉伸模型.设试件的刚度为K 0,加在试件上的粘贴钢板等附加装置的刚度为K 3,刚性架的刚度为K 2,加力装置的刚度为K 1,要想得到稳定的试验曲线,必须使试验装置的回弹变形小于试件的拉伸变形,从而试验装置的刚度必然要大于试件的刚度.K 2与K 3和K 0组成的系统是并联连接,可以近似认为它们具有相同的位移,由公式K =F/X ,可以得到K 1和K 2的总体刚度为K 1-K 2.下面从能量角度分析,为获得稳定的应力Ο应变全曲线下降段,整个系统需要满足的刚度要求.假设试件达到最大荷载后,变形由0增大到ω,所需能量为Q 0,则有Q 0=∫ω0F (ω)d ω(1) 加力装置、刚性架、粘贴钢板等附加装置材料一般为金属,其变形范围都在线弹性范围内变化,所以均可按弹性试件来计算它们所消耗的能量.设加力装置和刚性架的整体刚度为K 12,其消耗的能量为Q 12,粘贴钢板等附加装置所消耗的能量为Q 3,则有下列关系式成立:Q 12=F (ω)22(K 1+K 2)(2)Q 3=F (ω)22K 3(3)要想获得稳定的应力Ο应变全曲线下降段,则所有装置及试件所消耗的能量对ω的导数必须大于0,即5(Q 12+Q 3+Q 0)5ω>0(4)联立式(1)(2)(3)(4),可得F (ω)F (ω)′K 1+K 2+F (ω)F (ω)′K 3+F (ω)>0(5)化简得F (ω)′>-K 3(K 1+K 2)K 1+K 2+K 3(6)实际上,在试件拉伸处于下降段时,F (ω)′为一负值,可令其为-K 0,故有K 3(K 1+K 2)K 1+K 2+K 3>K 0(7)K 1=E 1A 1l 1 K 2=E 2A 2l 2 K 3=E 3A 3l 3 K 0=E 0A 0l 0(8) 设式(7)左边为整个试验装置的刚度,用K M 表示,K 1,K 2,K 3的增大都会使试验机的刚度增大,这对获得稳定的全曲线是有利的.事实上,在实际拉伸装置中,K 1,K 2,K 3可由拉伸变形公式得到.在弹模一定时,钢板和刚性架的长度越长,其刚度越小;而截面积越大,刚度越大.因此在配置辅助刚性架时,应尽量减小刚性架的高度,增大截面积.对于试件来讲,长度越大,截面积越小,式(7)越容易满足.从上述分析可知,当试验装置采用上下粘贴钢板的加载方式时,应力分布最均匀,应力集中程度最低.下面对带有辅助刚性架装置并采用两端粘贴钢板加载方式的混凝土试件进行直接拉伸受力分析.同样利用对称性,可以取整个加载装置的1/4进行研究,有限元模型如图7所示.由式(8)可知,当粘贴钢板等附加物高度越大时,其刚度就越小,沿高度方向变形就越大,而当试件达到极限荷载之后,弹模成为负值,因此钢板要回缩,若回缩的变形越大,试件产生冲击的可能性就越大,也就越不易得到稳定的全曲线.仍803河海大学学报(自然科学版)第34卷图7 带刚性架装置有限元网格Fig.7 FEM model with stiff frame 假设刚性架、粘贴钢板等的弹模为210G Pa ,泊松比为01315,混凝土的弹模为21G Pa ,泊松比为0125.由数值分析可知,当粘贴钢板等附加物的高度为试件高度的2617%时,其变形为试件变形的418%;当粘贴钢板的厚度增加1倍时,其变形为试件变形的13%.一般采用两端粘贴钢板的方式,其截面面积保持与试件相同.刚性架的拉杆高度一般可由试件和粘贴钢板共同决定,当其截面面积增大时,虽然刚性架的刚度增大了,其所承担的荷载也增大了,但对试件的应力和变形影响不是太大.从应力的分析看,在保持刚性架横杆材料和截面尺寸不变的情况下,刚性架拉杆位置对试件的受力影响较大,当拉杆与试件中心的距离增大为原来的1189倍时,刚性架与试件所承受力的比值由原来的61274变为21034.由此可见,刚性架的拉杆与试件的距离越近,则其所承担的拉力越大.当试验机的吨位不太大时,可以考虑将拉伸试验的刚性架拉杆与试件的距离增大一些.3 结 论本文重点对内埋钢棒、外夹钢板、粘贴钢板这3种混凝土直接拉伸加力方式下试件的受力情况进行了分析,分析结果表明:两端粘贴钢板的加载方式较其他2种加载方式更合理,采用该种加载方式不仅可以保证试件内部应力分布均匀,而且试件与加载装置粘贴处应力集中程度也比其他2种加载方式低得多.为了利用辅助刚性架来获得稳定的应力Ο应变全曲线,本文采用能量方法推导了装置需满足的刚度条件,并利用有限元方法进行了应力和变形计算,得到了一些有益的结论.参考文献:[1]易成,谢和平,鞠杨,等.混凝土与纤维混凝土的劈裂试验及损伤描述[J ].实验力学,2003,18(4):529Ο537.[2]缪群,朱晓峰.利用楔劈拉伸试验研究混凝土的断裂特性[J ].建筑材料学报,1999,2(3):212Ο217.[3]宣国良.混凝土圆柱体劈拉强度的尺寸效应[J ].河海大学学报,1996,24(2):92Ο97.[4]窦庆峰,岳顺,代高飞.岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究[J ].地下空间,2004,24(2):178Ο181.[5]霍洪媛,车黎明,梁正平.混凝土轴向拉伸全曲线试验及装置[J ].河海大学学报,1995,23(5):26Ο31.[6]陈萍,梁正平,黄书秦,等.三峡三级配混凝土轴向拉伸应力变形全曲线[J ].河海大学学报:自然科学版,2001,29(5):38Ο42.[7]梁正平,陆海荣,黄书秦,等.一种简易的混凝土轴向拉伸试验装置[J ].水利学报,1992(8):73Ο75.[8]梁正平,陆海荣,黄书秦.三峡工程原级配混凝土单向拉压性能试验[J ].河海大学学报,1992,20(5):105Ο111.[9]SW ADDIW UDHIPONG S ,LU Hai 2rong ,WEE T H.Direct tension test and tensile strain capacity of concrete at early age[J ].Cement andC oncrete Research ,2003,33(12):2077Ο2084.[10]LI Z ong 2jin ,S URE NDRA P S.Localization of microcracking in concrete under uniaxial tension[J ].ACI Materials Journal 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oreover,the mechanical behaviors of concrete specimens in glued plated grip manner which was supported by a stiff frame were analyzed,with the effects of stiffness and location of the stiff frame taken into account.The results show that the glued plated grip manner makes the stress distribution in concrete m ore uniform,and that decreasing the height and increasing the cross section of the stiff frame make it easy for obtaining the com plete stress2strain curve.K ey w ords:concrete;direct tension;stress analysis;stiff frame《河海大学学报(哲学社会科学版)》征订启事(C N32-1521/C,ISS N1671-4970,季刊,自办发行)本刊以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导,坚持实事求是的思想路线,贯彻“双百”方针,弘扬时代主旋律,理论联系实际,为社会主义物质文明与精神文明建设服务.本刊为哲学与社会科学类学术期刊,主要刊登哲学、政治学、文学、史学、语言学、法学、社会学、心理学、经济学、管理学、高等教育学等社会科学方面的研究成果、学术论文、综述等学术性文章.本刊可供上述有关专业的研究人员、管理人员和大专院校师生阅读与参考.本刊为中国学术期刊(光盘版)入编期刊与中国学术期刊网入编期刊.本刊由河海大学主办,每季末出版,国内外公开发行,每本定价5元,每本邮费1元,全年订费24元.欢迎广大读者直接向编辑部订阅.联系地址:南京市西康路1号《河海大学学报(哲学社会科学版)》编辑部,邮政编码:210098.联系电话:(025)83786376.。
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摘要: 在 MTS318 电液伺服万能试 验机上对 76 个哑铃形试件进行了变幅循 环荷载作 用下混凝土 的单轴动 态拉伸试 验, 系统地研究了初始静载、循环频率、循环增幅对混 凝土动 态强度以 及变形 特性的 影响。研究 结果表 明, 在地震
作用的频率范围内变幅循环荷载作用下混 凝土的动强度主要取决于每一循环内最高加 载速率时的 动强度, 循环增 幅的影响相对较小。随着初始静态荷载的增加, 混凝 土的动 态强度趋 于减小。 随着循环 数的增 加, 混凝土 内产生
时自然湿度条件下抗压强度和劈拉强度分别为: 2713MPa、3151MPa。由于 300d 龄期时混凝土的强度发
展已经趋于稳定, 可以忽略试验过程中龄期不同对拉伸强度的影响。在对该批混凝土养护过程中跟踪
测量的 37 组抗压和劈拉试验中, 没有一组试件中出现 3 个测量值中的最大值或最小值与中间值的差值
2005 年 5 月 文章编号: 0559- 9350( 2005) 05- 0593- 05
水利
SHUILI
学报
XUEBAO
第 36 卷 第 5 期
变幅循环荷载作用下混凝土的单轴拉伸特性
闫东明1 , 林皋1 , 王哲2
( 11 大连理工大学 土木水利学院, 辽宁 大连 116024; 21 北京交通大学 土木建筑学院, 北京 100044)
都超过中间值的 15% 的情况, 说明本试验所制作的试件离散性较小, 能够确保试验数据的可靠性。
213 试验过程 拉伸试验试件采用粘结式与试验机相连接。试件两端采用 JGN- II 型建筑结构胶( 其
抗拉强度大于 35MPa, 抗剪强度大于 18MPa) 和带有螺孔的钢板粘结, 钢板通过螺栓固定在试验机的球
) 593 )
F = A i sin( 2 Pf t ) + F0
( 1)
式中: F 为时变荷载; A i 为第 i 个循 环周期的荷载 幅值; f 为循环频
率; t 为循环的时间变量; F 0 为初始静载。
2 试验设备与试验技术
211 试验设备 加载设备采用大连理工大学工业与装备国家重点实
验室引进的美国 MTS 电液饲服万能试验机, 加载头自行设计。数据采
31 93 01 231
表 2 循 环荷载条件下混凝土抗拉强度随循环频率和循环增幅的变化
预加荷载PMP a 11 6
11 6 21 0
循环频率PHz
01 5 21 0 101 0 201 0 301 0 21 0 21 0 21 0 21 0 21 0
循环增幅PMPa
0108 0108 0108 0108 0108 01016 01034 0108 0132 0108
使循环加载时混凝土的强度的确定得以简化。
由于加载条件的限制, 初始静荷载的影响只有两 组试件, 而且变化幅度不是很大, 分别为静态强度的
表 3 不同初始静荷载下的 动态强度( 单位:MPa)
7214% 和 9015% 。从试验结果看( 见表 3) , 随着初始 初始静载
1
2
3
4
均值
静荷载强度的提高, 所有试件强度均明显降低。从而 PMPa
混凝土试验的加载方案如图 1 所示。在开始的 t 0 时间内缓慢加载到预定的静态荷载 F0 , 然后按照 设定的增幅按正弦波方式进行循环加载。荷载的时程变化可表示为
收稿日期: 2004-05-07 基金项目: 国家自然科学基金资助重点项目( 50139010) 作者简介: 闫东明( 1978- ) , 河南南阳人, 博士生, 主要从事水工结构工程的试验与理论研究。E-mail: dmyan@ student . dlut. edu. cn
载曲线如图 2 和图 3。
图 2 实测应力时程曲线
图 3 图 2 的局部放大
在加载前, 调整试件与设备连接螺栓的松紧程度相同, 使试件尽量达到物理对中; 同时, 由于安装了 球铰, 能够自动校正微量的不均匀受力。先按照拟静态加载速率预加载到设定值, 然后按照设定的循环
) 594 )
频率和循环荷载增幅进行循环加载, 直到试件破坏。相应地记录下循环过程中的应力、变形过程和破坏 时的强度和循环周数。
为了全面研究地震对混凝土动态特性的影响, 本文试验考虑了混凝土的初始静态荷载、循环频率、 循环幅值的增长速度以及循环周数对混凝土拉伸特性的影响。设计的试验工况如下: ( 1) 在同一初始静 荷载、同一循环增加幅值下, 研究不同循环频率对混凝土拉伸性能的影响, 选取的频率分别为 015、210、 1010、2010、3010Hz; ( 2) 研究不同初始静荷载对循环荷载作用下混凝土性能的影响。由于循环加载过程 中混凝土试件不能受压, 这限制了初始静荷载幅度的选取范围, 本文试验选用了两种初始静载幅度; ( 3) 在相同循环频率和相同初始静载下研究 4 种循环增幅( 循环周数) 对混凝土力学特性的影响。
的均值, [ $R] 指单调加载时的标准差) 。循环频率为 210Hz 和 015Hz 时的强度, 也在相应的单调加载的
强度范围[ R] ? [ $R] 内。从而可以认为, 在地震作用的频率范围内, 循环加载时混凝土的动强度主要决
定于每一循环内最高速率( 随循环频率和循环幅度而变化) 时的强度, 循环加载增幅的影响相对较小, 这
土拉伸强度、物理参数以及在循环过程中变形规律的影响。这对工程实践将有较重要的实际意义, 并可 进一步了解循环加载条件对混凝土率敏感性的影响。
1 试验方案
地震对大坝等大型混凝土建筑物的作用有以下两个特点: ( 1) 地震的发生初期, 地震作用通常比较 小, 经过几个周期或者几十个周期后逐渐增加到作用的最大值。( 2) 在混凝土结构的实际工作过程中, 通常都是处在一定的静态荷载作用之下, 再承受地震作用。
图 1 加载方案示意
集系统采用 DPM- 8H 应变仪、INV306D 智能信号采集处理分析仪和 DASP 采集软件, 其采集速度可达 104 次Ps。
212 试件的制备 试验采用长度为 200mm 的哑铃形拉伸试件, 中间段长 100mm, 截面形状为正方形, 中
部 71mm @ 71mm, 端部 100mm @ 100mm, 采用弧线形进行过渡。伴随试件采用 100mm @ 100mm @ 100mm
设计强度为 C20 的混凝土, 其配合比 ( 按重量) 为水泥B水B石子B砂= 1100B0169B3195B2163。试块用钢
模人工振捣后在振动台上成型。24h 后脱模, 在水中养护 2d, 然后放置到上覆石棉瓦的养护棚中在室温
下覆草袋浇水养护至第 28d, 其后在自然条件下养护。
试件的 28d 抗压强度、劈拉强度分别为 2113MPa、2133MPa。试验时混凝土的龄期为 300 ? 5d, 试验
铰上。在混凝土试件的每个侧面中心用环氧乙烯拌和胶交叉粘贴 50mm @ 5mm 的应变片, 分别测量试
件的横向和纵向应变。同时, 为了确保准确测量裂缝出现后的试件变形, 在相对的两个侧面上, 每个面
安放标距为 75mm 和 50mm 的自制夹式位移引伸计, 测量竖向位移。
加载过程通过计算机数控系统控制试验机作动头的位移速度来实现。控制精度比较高, 实测的荷
的不可恢复的永久变形幅度也随之增加。
关键词: 变幅循环加载; 单轴; 拉伸强度; 混凝土
中图分类号: TU502
文献标识码 : A
地震荷载是大坝等混凝土建筑物最重要的荷载之一。混凝土大坝在强震中的震害主要表现为受拉 出现裂缝, 发生应力重分布, 使大坝的承载能力降低[ 1] , 因此, 研究地震荷载下混凝土的拉伸特性具有重 要的意义。地震荷载对混凝土结构的作用方式既区别于常规的疲劳荷载[ 2] , 又与基于研究损伤的低周 循环荷载[ 3] 有所不同, 其作用过程历时短, 包含频率成分多样, 循环幅值随时程发生变化。在这种循环 荷载作用下, 混凝土所表现出来的力学性能, 有必要对其进行深入的研究。但是到目前为止, 尚未发现 有相关研究工作的详细报道。本文旨在研究初始静态荷载、循环频率以及循环荷载的变化幅度对混凝
3 试验结果及分析
试验测出的各种工况下混凝土的强度变化如表 1 和表 2 所示。
表 1 不应变速率下混凝土的拉伸强度( 单位: MPa)
编号
1 2 3 4 5 6 均值 标准差
10- 5 11 97 21 24 21 39 21 44 11 98
21 21 01 198
10- 4 2118 2152 2147
时, 两项数值的大小也有所不同, 第一项起主要作用。从试验结果也可以看出, 在岩石地基地震作用的 主频范围( 10~ 30Hz) 内, 其应变速率变化 ÛE1 = 2173 @ 10- 3 ~ 8125 @ 10- 3Ps, 混凝土强度的变化与单调加
载时的强度变化范围( 表 1) 基本接近, 并处在在单调加载的 [ R] ? [ $R] 变化范围内( [ R] 指单调加载时
变幅循环加载条件下混凝土的强度特性主要表现为率性的影响, 但循环加载和单调加载的情况有 所不同, 现分析如下。在单调和循环拉伸条件下混凝土试件在破坏前, 应力应变关系接近于直线, 故可
以按弹性分析来研究其特性
R( t ) = E ( t ) E( t )
( 2)
式中: R、E、E 分别代表应力、应变和弹性模量, 均为时间的函数。
为了全面了解混凝土在循环拉伸荷载下的性能, 作为参照, 也进行了按照一定加载速率对 24 个试 件进行了单调加载试验。每一种工况试验 4~ 5 个哑铃形混凝土试件。
从试验的结果来看, 在剔除一些异常数据后, 所选用试件 4 个竖向应变片在拉力达到 50% 抗拉强 度时, 其应变相对偏差未发现有超过 15% 的, 说明所选用试件数据的受力均匀性较好。
2139 01 150
10- 3 2181 2194 2162