地震作用下普通混凝土動態力學性能研究進展

李 放

(中交路橋北方工程有限公司，北京 100176 )

0 前 言

地震往往對橋梁、建筑結構造成不同程度的破壞，對交通運輸與人民生命財產危害極大，地震作用引起的混凝土應變率在10-5/s～1/s[1]，混凝土在高應變率下與準靜載下力學性能差異較大，因此，有必要研究該應變率范圍內混凝土動態性能。

關于混凝土動態性能的研究很廣泛。Allen[2]利用Hop-kinson壓桿(SHPB)研究了C40混凝土動態性能，發現當應變率超過60/s時。

混凝土抗壓強度對應變率格外敏感；金瀏[3]研究了低應變率下混凝土動態破壞尺寸效應，建立了混凝土動態破壞細觀分析模型；Rossi[4]認為高應變率加載引起的慣性力是混凝土強度提高的原因，所以應變率越大，混凝土強度越高；王德斌[5]采用OpenSees軟件驗證了不同加載方式下RC柱的動態力學性能，研究發現，高應變率下RC柱雖然承載力提高，但延性降低，雙向菱形加載路徑下，RC柱承載力與剛度下降最快。尚世明與閆東明等[6-7]進行了大量普通混凝土在多向應力狀態下動態力學性能的試驗，得到了混凝土多向應力狀態下動態本構模型與破壞模式。

1 混凝土單向應力狀態

1.1 拉壓性能

地震引起的應變率范圍內，混凝土單軸抗壓強度較準靜態一般可提高為準靜態的1～1.6倍，不同應變率下混凝土抗壓強度見表1。

混凝土抗壓強度的提高倍數和動態應變率與準靜態應變率比值的對數大致成線性關系。混凝土破壞表現為豎向貫穿開裂，破壞形式隨應變率變化不大，與準靜態加載下試件破壞形態相比，破壞面上骨料破損增多，這是混凝土動態強度較準靜態高的原因之一。

表1 混凝土單軸動態抗壓強度

1.2 抗拉性能

地震引起的應變率范圍內，混凝土動態單軸抗拉強度一般可提高為準靜態的1～2倍。混凝土試件高應變率下受拉區斷裂整齊，與準靜態破壞形態基本相同。與準靜態加載下試件破壞形態相比，破壞面上骨料破損增多，這是混凝土動態抗拉強度較準靜態高的原因之一。

1.3 彈性模量

地震引起的應變率范圍內，混凝土單軸受壓動態彈性模量一般可提高為準靜態的1～1.4倍。混凝土彈模提高倍數和動態應變率與準靜態應變率比值的對數存在線性關系。

1.4 峰值應變

在地震引起的應變率范圍內，混凝土峰值壓應變通常降低為準靜態的1～1.4倍，混凝土單軸受壓動態峰值應變見下式[6]。

式中，εcd與εcs為混凝土動態與準靜態單軸受壓狀態下峰值應變。

混凝土峰值應變降低倍數和動態應變率與準靜態應變率比值的對數存在線性關系。總得來說，隨應變率增加，單軸抗拉強度峰值處拉應變沒有明顯增大，壓應變沒有明顯減小[8-9]。

2 混凝土雙向應力狀態

為了解不同應力路徑下混凝土雙軸動態力學性能，分別介紹動側壓(側向與主加載方向均按設計應變率動態加載)與定側壓(首先側向加載至設計值保持不變，其次主加載方向按設計應變率加載)下混凝土雙軸動態力學性能。

2.1 抗壓強度

動側壓下混凝土抗壓強度一般為準靜態單軸抗壓強度的1～1.6倍，并隨應變率提高而提高，隨著側向動荷載峰值提高，抗壓強度先提高后減小，側向應力峰值從0到混凝土單軸抗壓強度分為若干個等級。垂直于混凝土自由面上存在較大拉應變，隨著最大主應力增大，裂縫開展并貫穿整個構件。

定側壓下混凝土抗壓強度隨著側應力的增加先變大后減小，當側應力峰值達到混凝土單軸抗壓強度，混凝土雙軸強度比準靜態單軸抗壓強度增大不多。地震引起的應變率范圍內，定側壓普通混凝土雙軸抗壓強度一般可提高1～2倍。由于側向受壓面受約束，自由面裂縫明顯少于側向受壓面，混凝土破壞形態為：貫穿裂縫平行于自由面或與自由面成一定角度。

動側壓下混凝土雙軸強度較定側壓大，當應變率為10-2/s，單軸抗壓強度32.5 MPa的混凝土在兩種加載方式下強度可分別提高0.17與0.25[6]。

2.2 峰值應變

在地震引起的應變率范圍內，混凝土峰值隨著應變率的增加而減小；相同的應變率下，隨著側向應力增加，混凝土峰值應變先增加后減小。

混凝土在動側壓加載方式下雙軸受壓峰值應變隨應力比與應變率的變化規律與定側壓類似，相同的應力比或相同的應變率下，動側壓加載方式下混凝土峰值應變均小于定側壓。

2.3 彈性模量

混凝土雙軸受壓動態彈性模量隨應變率增加增大，在定側壓與動側壓兩種加載方式下，混凝土彈性模量較單軸受壓均有不同程度的增大，總得來說，應變率效應與側壓使混凝土彈性模量大于準靜態單軸加載下混凝土彈性模量。

3 混凝土三向應力狀態

3.1 抗壓強度

混凝土三向應力狀態動態抗壓強度較準靜態高。當圍壓較低時，動態抗壓強度對應變率敏感，當圍壓接近混凝土單軸抗壓強度時，動態抗壓強度較準靜態提高在5%以內。三向受壓應力狀態下混凝土動態抗壓強度數學模型見表2。

3.2 峰值應變

混凝土三向應力狀態下峰值應變隨應變率與圍壓提高而增大。在地震引起的應變率范圍內，混凝土動態應變峰值在圍壓接近混凝土單軸抗壓強度時大幅增大。

表2 混凝土三軸動態抗壓強度

4 結 論

1)地震引起應變率范圍內，混凝土單軸、雙軸和三軸的常見力學性能都有一定程度提高。

2)不同加載方式下應力路徑對混凝土單軸、三軸力學性能影響不大，對混凝土雙軸力學性能有一定影響。

3)地震作用引起應變率范圍內混凝土延性提高，可以用做抗震設計改善混凝土結構抗震性能。

4)混凝土動態力學性能理論結果離散性仍較大，需要加大多軸應力狀態下混凝土動態性能試驗研究。

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