初始静荷载下的混凝土动力强度研究

在土木工程中,混凝土结构都不可避免的会承受动力荷载,并且混凝土结构的动力荷载总是在一定静力荷载基础上叠加的,但现有大多数研究都是基于材料直接承受动力荷载进行的,因此有必要研究初始静荷载对混凝土动力特性的影响。本文计算了含裂纹体在不同初始静荷载下的动力响应,在直接承受动力荷载的混凝土强度与加载速率关系基础上,研究了不同初始静力荷载下动力荷载惯性和破坏时间的关系;在适当简化下分析了初始静荷载对混凝土的动力抗拉、抗压强度的影响规律,对现有文献中的试验现象做出了定性的解释和定量的分析,可为混凝土结构动力分析提供参考。     

动荷载作用下饱和粉土动力特性研究

为了分析不同动强度影响因素的动荷载作用下黄河冲洪积粉质土的动应力—动应变发展规律,模拟了一定振动频率的循环荷载的动三轴试验。试验选用郑州市东北部分布广泛的粉土,分析了动应力幅值、循环振动次数、固结围压、固结比等对粉土动力特性的影响,从动应力—动应变关系研究了动荷载作用下粉土的动力特性。试验结果表明:饱和粉土的动应力—动应变的发展与土样的动强度影响因素有关;在循环荷载作用下,因动荷载与围压比值的不同,试样呈现出三种形态;随动荷载作用次数的增加,在同等动应力幅值作用下,试样抵抗外力引起变形的能力越来越差,其弹性模量随振动次数增加而减小、随围压的增加而增大。     

混凝土单轴循环加卸载试验及声发射特性

利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴试验系统和SAEU2S声发射信号采集系统, 研究了单轴循环荷载作用下混凝土强度变化及声发射特征。结果表明:混凝土在单轴循环荷载作用下,其抗压强度与回弹值的比值随应变速率的增加而增大,通过线性拟合发现混凝土抗压强度与回弹值的比值率效应表现明显;混凝土在单轴循环加卸载过程中,声发射定位研究揭示了混凝土开裂位置及发展状况,并将混凝土变形分为4个阶段进行研究,结合每个阶段声发射累积定位数情况,分析了混凝土损伤变化;对循环加卸载过程中声发射累积定位数的分析发现,卸载后再次至最大历史应力水平前大量声发射信号产生说明混凝土不满足Kaiser效应;基于声发射定位数与应力随时间变化关系的研究认为,混凝土强度与应力水平有关,与内部结构也有关。     

粉煤灰坝填筑压重和振动对下卧输水隧洞的影响

陕西一电厂的粉煤灰库区下部基岩内埋设有邻近水库的3~#输水隧洞,隧洞已建成且埋深较浅。粉煤灰坝填筑过程中的压重及碾压振动会引起下卧输水隧洞衬砌结构的围岩压力发生变化,从而对隧洞衬砌结构的安全造成威胁,需要评估。为此,利用ADINA建立隧洞衬砌结构的静、动力分析模型,分析粉煤灰坝填筑过程中的静力荷载作用及灰土、初期坝和各级子坝顶部振动碾压的静动力耦合作用对隧洞衬砌结构的影响,对静荷载作用下的隧洞衬砌结构进行偏压复核和剪压复核,并总结振动荷载下加速度幅值和竖向位移的空间分布规律。研究表明:随着粉煤灰的堆填,隧洞衬砌结构竖向位移和内力逐渐增大,其中,隧洞拱顶竖向位移最大,最大值达到了0.005 m,隧洞拱脚附近衬砌结构的轴力、剪力、弯矩最大;隧洞衬砌结构的轴向承载能力不符合要求,剪切承载能力符合要求;激振频率对振动加速度幅值的影响主要集中在40 m埋深范围内;动、静力荷载作用下隧洞衬砌结构最大值出现位置基本一致,静动力耦合作用下隧洞衬砌结构内力最大值为静力荷载作用下的1.01～1.09倍,静力荷载作用是影响隧洞衬砌结构内力的主要因素。     

饱和混凝土静动力抗压强度变化的细观力学机理

已有的试验研究表明，不同加载速率下，饱和混凝土中的自由水对其力学性能有着不同的影响，与干燥混凝土相比，准静态荷载作用下饱和混凝土的抗压强度有所降低，动力荷载作用下饱和混凝土的抗压强度增高的较多。本文在翼型裂纹的基础上，考虑裂纹之间的相互作用、裂纹扩展速度对应力强度因子及孔隙水压力对裂纹扩展的影响，利用弹性断裂力学理论探讨了饱和混凝土的静、动力抗压强度变化机理并建立了理论模型。分析认为，慢速加载时，裂纹中的自由水可以达到缝尖，自由水的楔入作用加速了裂纹的扩展，降低了混凝土的强度；快速加载时，裂纹中的自由水较难达到缝尖，受负的孔隙水压力和自由水黏度及Stefan效应影响，饱和混凝土的动力抗压强度升高。模型计算与试验结果较为一致，表明本文理论模型可以较好地反映饱和混凝土静、动力抗压强度的变化机理。     

混凝土动力特性的初步研究

选取２５０号和１６０号两种混凝土试件进行了在动荷载作用下的抗压和抗弯试验。初步探讨了混凝土在动荷载下的动力特性变化规律和应力应变本构关系。研究表明：随着荷载频率的提高，混凝土的弹性模量、抗压强度和抗弯强度增大；在单向压缩状态下，混凝土的破坏有可能是侧向拉应变达到其极限值所致。     

三级配大骨料混凝土双轴抗压性能试验分析

利用自行研制的大型混凝土静、动三轴试验系统,完成了5种应力比、4种应变率、3种含水状态（干燥、自然、饱和）的三级配大骨料混凝土双轴动态抗压试验。试验研究了含水率对三级配大骨料混凝土动态极限抗压强度的影响,并在此基础上提出考虑含水率影响的大骨料混凝土动态破坏准则。研究表明,饱和混凝土试件在高应变率下的强度明显提高,而在低应变率下强度则有所降低。在相同应变率下,极限抗压强度在应力比为1∶0.5时达到最大值。影响三级配大骨料混凝土试件破坏形态的主要因素为应力比,其动态极限抗压强度随含水率的增大而增大,而静态极限抗压强度随含水率的增大而减小;单轴受压状态下的变形明显小于双轴受压,试件的峰值应变随应变率的增大而减小。     

双向动荷载下振动频率对黄土动力特性的影响

采用TYS-20型电脑控制电液伺服土动三轴试验机对Q3黄土试样进行了一系列的动三轴试验,探究了双向循环荷载作用下振动频率对黄土动力特性的影响。动强度试验结果表明:当振动频率在0.2~3 Hz范围内变化时,黄土的动强度随振动频率f的增大而增大;对动强度与振动频率的关系在双对数坐标系上进行拟合发现:相同破坏振次下,两者近乎呈直线关系;在破坏振次分别为10,20,30次条件下,频率0.2,1 Hz相比3 Hz得到的动强度相对降低值最大可达到61.9%,最小为11.9%,且围压越小,降低程度越明显。动模量试验结果表明:动剪切模量随动剪切应变的增大而先增大后减小,在衰减过程中,频率越大衰减越缓慢,同一动剪切应变对应的动剪切模量也越大;在相位差为0°条件下,振动频率越小动剪切应变发展越快,侧向循环应力幅值的增大减慢了土体动剪应变的发展速度,在一定范围内侧向循环应力幅值越大越有利于土体稳定。     

不同湿度混凝土动力抗压性能数值模拟分析

本文基于随机骨料建立了二维混凝土的细观数值模型,利用无厚度cohesive单元模拟界面层及基体的损伤,用弹性单元模拟孔隙水,并结合黏性效应、惯性效应,模拟分析了应变率和孔隙含水率对混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。结果表明:动力分析时混凝土组成材料采用静力参数,考虑了惯性效应与黏性作用后,数值模型可以很好地反映动力荷载作用下混凝土名义动力强度增长因子(DIF)、单轴压缩弹性模量和峰值应变随应变率增加而增加的宏观现象,以及随着孔隙含水率增加混凝土静动态抗压强度线性减小、DIF线性增加、率效应增强的变化规律。以应变率和孔隙含水率为参数,提出了以干燥混凝土静态抗压强度为基准的含水混凝土动态抗压强度的预测公式。     

动态荷载作用下细观混凝土的尺寸效应研究

混凝土材料的尺寸效应问题是很复杂的但同时又非常重要。为了研究动态荷载作用下混凝土的尺寸效应,从数值试验出发,根据自行编制的程序,生成随机骨料模型,应用塑性损伤本构,数值计算了不同尺寸下混凝土的动态破坏强度。结果发现:在相同的加载速率下,随着试件尺寸的增大,材料的强度在增大,破坏位移也在增大;混凝土的动强度随应变率的增加而提高,当随着试件尺寸的增大时,其动强度的增大幅度更为明显。     

真三轴应力下混凝土的动态力学性能及破坏准则

为研究混凝土结构处于复杂应力状态下的静动态力学特性,进行了不同应力比及加载速率下的真三轴压缩试验。对混凝土的强度特性和变形特性展开了深入分析,并基于八面体应力空间建立了考虑应变速率效应的真三轴动态破坏准则。结果表明:真三轴受压下的混凝土极限抗压强度随着应力比的增大而增大。随着应变速率的增加,应力比较低时,混凝土的极限抗压强度逐渐增大;应力比较高时,极限抗压强度先减小后增加。随着应变速率的增加,侧向变形曲线的破坏峰值点更明显;随着应力比的增大,侧应力较大方向上的变形越来越小。基于八面体应力空间建立的真三轴动态破坏准则表达式中包含3个率效应参数,经验证与试验数据吻合较好。     

Weibull统计理论的参数对混凝土全曲线模型的影响

为了解混凝土在不同加载速率下的力学特性,采用微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪,对强度等级为C15、边长为150 mm的立方体混凝土试件在不同加载速率为10^-5/s,10^-4/s,10^-3/s,5×10^-3 /s下进行了单轴压缩试验,对不同加载速率下单轴压缩混凝土的抗压强度、变形、基于修正后的Weibull统计理论的应力应变全曲线模型参数等进行了研究和分析。结果表明修正后的Weibull统计理论模型能较好地拟合混凝土试件在不同加载速率下的全曲线模型;材料的强度硬化特性可以通过Weibull本构模型中的参数m和E值表征;应变软化特性可以通过Weibull本构模型中的参数c值表征。     

变幅循环荷载作用下混凝土的单轴拉伸特性

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，混凝土内产生的不可恢复的永久变形幅度也随之增加。     

不同冻融循环次数混凝土单轴压缩试验

为研究冻融循环作用对混凝土力学性能的不利影响,分别对混凝土进行0,10,25,35和50次快速冻融循环,并利用10 MN大型多功能动静力三轴仪对混凝土历经40%f_c的荷载历史作用后(f_c=40 MPa为普通混凝土单轴抗压强度),以10-4/s的应变速率进行单轴压缩试验,得到冻融循环后混凝土的单轴抗压强度,并分析其损伤演化规律与破坏机理。结果表明:随着冻融循环次数的增加,历经相同加载历史作用后的混凝土的单轴抗压强度逐渐降低,且峰值应力随冻融循环次数的变化呈二次曲线关系;选用修正后的Weibull-Lognormal分段式损伤本构模型,经验证能够较好拟合冻融劣化混凝土历经荷载历史作用后单轴应力应变曲线;此外,冻融循环次数越多,对混凝土造成的损伤程度越大,在损伤发展的后期阶段,冻融程度较大的混凝土损伤路径大幅度延长且趋于扁平化,直至进入破坏阶段。     

真实水荷载对混凝土强度影响的试验研究

为了了解混凝土材料在水环境中的力学性能，本文试验研究了混凝土在水中及三轴应力状态下的抗压强度特性。试验在大型多功能静动三轴仪上进行，混凝土试件采用Φ100mm×200mm圆柱体试件，试验中考虑了不同的水荷载作用方式、围压和湿度含量的影响。试验的水荷载作用方式分为机械围压(试件密封)和真实水围压(试件不密封)两种。围压大小分别为0、2和4MPa。为了确定湿度对混凝土强度的影响，进行了干燥和饱和两种湿度混凝土的三轴压缩试验，并进行对比。试验研究表明，试件密封条件下，干燥和饱和混凝土的强度均随围压增加且效应明显，但干燥混凝土比饱和混凝土的围压效应更显著；在试件不密封条件下，混凝土三轴强度比密封条件下的强度低。试件不密封条件下，饱和混凝土的三轴强度接近其单轴强度，但干燥混凝土强度降低较大。文中还基于混凝土内部孔隙水压力和外部水荷载的相互作用机理，对试验结果进行了初步解释。     

考虑率效应的混凝土压剪强度及破坏准则试验研究

利用TAZW-1000大型多功能静动力三轴仪对5种不同加载速率、6种不同法向应力作用下的混凝土进行抗剪试验,分析法向应力和加载速率对混凝土抗剪性能的影响,并基于Bresler-Pister静态强度准则,提出了考虑率效应的混凝土压剪强度准则。研究结果表明:混凝土的剪切强度随法向压力增大呈线性分阶段增大,在一定法向压力范围内剪切强度增幅近似呈直线,然后增幅开始减小;压剪共同作用下混凝土动态抗剪强度提高的主要因素是法向压力的增加,而加载速率对其影响不大。随着法向压力增大,混凝土率效应增强;基于Bresler-Pister静态强度提出的混凝土动态压剪强度准则与试验数据吻合较好,可为动态压剪作用下混凝土强度准则的提出提供参考。     

变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

变幅循环加卸载下的力学及变形性能对硫酸盐服役地区混凝土结构至关重要。将混凝土试件提前浸泡于10%、15%、20%硫酸钠溶液5、7个月形成化学侵蚀损伤,再开展单轴压缩变幅循环加卸载试验,分析该过程中试件力学性能、变形性能以及耗散能演化规律。结果表明随着硫酸钠浓度和侵蚀时间增加,试件强度降低、破坏时完成的变幅循环次数减少。累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势,变化速率不断提高;加载应变差始终大于累积残余应变差,随着循环次数增加逐步接近;动弹性模量和塑性变形率随着循环次数增加整体呈提高趋势;耗散能随着循环次数增加而增大,尤其是在后期耗散能变化速率增快。     

混凝土动态双轴强度探讨

本文根据单轴和等压双轴的动态强度的特性,提出用一抛物线方程和双曲线方程来模拟拉-压区和压-压区的强度变化规律,方程的参数是单轴动态强度的函数.在拉-压区和压-压区分别推导出混凝土的动态强度.建立了完整的混凝土静、动态双轴强度包络线.为了得到一致的动态强度准则,建立了统一静态应变率下的混凝土动态单轴抗压强度和动态单轴抗拉强度与应变率的关系式,并根据已有的试验结果,建立了类似的等压双轴动态强度变化关系式,以用于双轴动态强度预测.根据本文方法得到的包络线在拉-压区和压-压区连续光滑,预测的动态双轴强度与已有的试验结果吻合较好,可作为工程实际应用的参考值.     

不同初始静态荷载下混凝土动态抗压特性试验研究

利用大连理工大学自行研制、改造的大型液压伺服混凝土静动试验系统进行动态压缩试验，研究应变速率以及初始静态荷载对混凝土动态强度和变形特性的影响。试验结果表明，随着应变速率的增加，混凝土的强度有增加的趋势；初始静态荷载对混凝土的动强度影响明显，随着初始荷载的增加，动强度有降低的趋势；在初始静态荷载较大时，动强度降低的趋势更为明显；动强度随初始静态荷载变化规律接近指数函数。同时发现，在应变速率发生变化的位置，切线弹性模量也发生改变；在较大初始静态荷载作用时，切线模量的改变尤为显著，值得引起重视。