循环荷载作用下混凝土的损伤试验研究

循环荷载作用下混凝土的损伤试验研究

许惠敏

湖北工业大学湖北武汉430068

摘要：本文研究混凝土应变增量的重复完全加卸荷，加载应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s的试验；对混凝土的基本特性，强度、变形和弹性模量进行了分析，重点分析了混凝土在不同应变速率下的刚度退化损伤特性，并比较了不同应变速率对混凝土的刚度退化损伤并建立了刚度退化损伤的计算公式。

关键词：混凝土循环加卸荷损伤应变速率

1引言

钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，已广泛应用于建筑、桥梁、隧道、水利等工程中。目前，大量学者对普通混凝土材料的损伤特性进行了研究，但是钢纤维混凝土损伤研究的成果则相对较少，对中应变速率下钢纤维混凝土损伤研究更有待深入。因此，本文将研究钢纤维混凝土在中等应变速率范围下的损伤特点，并与混凝土材料的损伤特性进行比较分析，为混凝土及钢纤维混凝土结构的减震设计，以及土木工程结构的安全评估提供重要依据。

2试验概况

试验中所采用的水泥为宜昌弘洋水泥有限公司出品的普通42.5等级硅酸盐水泥。细骨料为天然河砂，连续级配，经筛分试验实测的细度模数为2.4g/cm3，粗骨料采用5~20mm连续级配的河卵石。钢纤维混凝土的基体强度为C40，试验所用钢纤维混凝土的材料用量配比如表1所示：

表1钢纤维混凝土的材料用量（单位：kg.m-3）

从表1可以看出，在相同应变速率下，混凝土SFC40-00的强度比SFC40-20的强度高。

2.混凝土的变形分析

对本次试验的两种混凝土SFC40-00和SFC40-20在不同加载应变速率的峰值应变结果分析如下：SFC40-20比SFC40-00的峰值应变有一定的增加，在10-5/s、10-4/s和10-3/s三种应变速率下分别提高23%、26%和38%。相同钢纤维含量的混凝土随应变速率增加时，峰值应变也有一定程度的增加。

3.混凝土的弹性模量分析

从试验数据可以得出，在相同应变速率下，混凝土SFC40-20比SFC40-00的弹性模量低，在10-5/s、10-4/s和10-3/s三种应变速率下分别降低12%、3%和18%。相同钢纤维含量的混凝土随应变速率增加时，弹性模量也有一定程度的降低。

对两种混凝土的等应变增量的重复完全加卸荷加载试验表明：钢纤维有助于提高混凝土的延性，同时提高加载的应变速率将会加大对混凝土的损伤。

4损伤变量的确定与本构模型的建立

图1是一个等应变增量的重复完全加卸荷加载的典型曲线，从图中可以看出，在每一次完全卸载后都会有残余的塑性变形，随着加载的不断进行，残余的塑性应变也逐渐增加，可以看出混凝土是一种弹塑性材料。将加载模型简化为图2的曲线，加载到D点时按路径DA卸载。

根据连续损伤力学理论，最终建立的混凝土的弹塑性损伤变量计算公式为：

图3SFC40-00的变化图图4SFC40-20混凝土的变化图

从图中可以看出，材料的卸载刚度变化规律为：S在一定范围内，卸载刚度大于或等于原点弹性模量，材料经历了压密到损伤的演化过程，材料的损伤变形还未引起宏观力学的卸载刚度的衰减；当S超过某一值后，卸载刚度小于等于原点模量，材料受损后引起卸载刚度的衰减。从图中还可以看出，在相同的应变下，随着应变速率的提高的值也会有所提高，当应变速率从10-5/s提高到10-4/s时的值略有提高，但是当应变速率提高到10-3/s时的值则有大幅度的提高，反映出应变速率显著增加时对混凝土材料卸载刚度的明显提高。对比SFC40-00和SFC40-20两种混凝土发现，SFC40-20的提高的幅度明显。特别是当S>4时，SFC40-20的的值在0.2以上，且有保持的趋势，而SFC40-00的的值开始下降到0.2以下，最后保持在0.1的水平。

对于重复完全加卸荷的卸载刚度与初始弹模的比值与应变的关系满足Student’st分布，最终建立模型形式如下：

值表明了提高的最大幅度，值表明了最大时相应的应变，c则为形状系数。SFC40-00和SFC40-20两种混凝土，分别在10-5/s、10-4/s和10-3/s三种应变速率下的、和c和相关系数计算结果表明：

应变速率从10-5/s提高到10-3/s时，SFC40-00的值从1.070提高到1.135，SFC40-20的值从1.0970提高到1.226；SFC40-00的值从0.376提高到0.570，SFC40-20的值从0.447提高到0.635。说明提高应变速率可以提高卸载刚度。

在相同应变速率下，SFC40-20比SFC40-00的值和值都有明显提高，说明增加钢纤维含量可以增强混凝土的延性。

6结语

综上所述，本文进行了等应变增量的重复完全加卸荷试验，得到了SFC40-00和SFC40-20两种混凝土，在应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s的情况下单轴重复加卸荷的应力-应变曲线。通过其峰值应力与峰值应变分析、卸载刚度特征分析，得到了刚度退化引起的损伤，建立了弹塑性损伤本构模型。

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