静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究_李胜林.pdf

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究李胜林1，陈云瑞1，张明悦2，徐平甲3，郝劲戈1（1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；2.北京市通州区住房和城乡建设委员会，北京101199；3.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京101500）摘 要：为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性，本文以混凝土试件为试验对象，先通过 YAD-2000 试验压力机对多组混凝土试件进行预加载，使 C30 混凝土试件出现不同程度的损伤，然后利用 SHPB 试验设备对试件进行单次冲击压缩试验，研究静载下的损伤对混凝土应力应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现，经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中，存在一个分界点.大于分界值时，损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.关键词：静载历史；霍普金森压杆(SHPB)；损伤；应变率效应；动态抗压强度中图分类号：TU528.1 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)05-0470-08DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.129Research on the Dynamic Compressive Performance of Concrete dueto the Damage Static Load HistoryLI Shenglin1，CHEN Yunrui1，ZHANG Mingyue2，XU Pingjia3，HAO Jingge1（1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Tongzhou Municipal Commission of Urban and Rural Development,Beijing 101199,China;3.China Railway 16th BureauGroup Corporation Limited,Beijing 101500,China）Abstract：To study the dynamic mechanical properties of concrete structures in service and with initial damageunder impact dynamic load,concrete specimens were taken as experimental objects.First,several groups of con-crete specimens were preloaded by YAD-2000 test press to varying degrees of damage.Then,the SHPB testequipment was used to perform a single impact compression test on the specimen to study the characteristics ofthe damage to the concrete stress-strain curve under static load,and influences of characteristics such as dynam-ic compressive strength and failure mode.Through a series of tests,it was found that the concrete subjected tothe initial static load had a strong load damage effect and strain rate effect.There was a boundary point in the re-lationship between the damage of concrete under static load to the reduction of dynamic compressive strength.When it was greater than the cut-off value,the change in damage degree had a significant effect on the dynamiccompressive strength of concrete.The research results have theoretical significance and reference value for theresearch and application of the dynamic performance of concrete under load history.Key words：static load history；split Hopkinson pressure bar(SHPB)；damage；strain rate effect；dynamic com-pressive strength 收稿日期：2022 06 02基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574247，10272109）；国家教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（220060290009）；中央高校基本科研业务专项资金资助项目（2010QL05）作者简介：李胜林（1977）男，博士，副教授，E-mail：.通信作者：陈云瑞（1998）男，硕士生，E-mail：.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2023 随着人们对建筑结构安全可靠性要求的不断提高，地震、风、爆炸等动态荷载对建筑结构的影响越来越受到关注.目前，大量学者对混凝土动态性能的研究相对深入，但大多都是针对无初始损伤的混凝土.结合实际情况，混凝土结构在使用过程中，会承受各种不利因素导致不同程度的损伤.如：在洪水水波循环荷载的作用之前，水库大坝已承受了自重、静水压力等静载；高层建筑在未受到地震、强风荷载等偶然作用时，其要承担自重等永久荷载.所以，全面了解静载历史下混凝土的动态性能是当前的重要任务.20 世纪 KAPLAN1研究了初始静载对混凝土动态抗压强度的影响，即先以低加载速率模拟初始静载加载到一定荷载值，然后以高加载速率加载至混凝土试块破坏.试验结果表明，当初始损伤载荷较小（F1/3fc）时，混凝土的动态强度呈现增大趋势；当初始损伤载荷超过该值时，混凝土的动态强度呈现减小趋势.肖诗云等2针对经历 0、30%、50%和 75%荷载峰值的混凝土试件，利用大型静、动三轴电液伺服试验装置对其进行了单轴动压试验.试验结果表明，当荷载历史小于损伤应力阈值时，荷载历史对混凝土强度影响不大.当荷载历史超过临界值时，混凝土极限抗压强度明显降低.其他学者3 6也进行过相关研究，得出了相似结论.为进一步明确具有静载历史混凝土在高应变率下的动态抗压性能，本研究先通过万能压力机对混凝土试件进行 0、30%、50%、70%和 90%的极限抗压强度预加载，然后利用 SHPB 试验设备对试件进行单次冲击压缩试验，以对比研究损伤条件下混凝土的动态抗压特性，为实际工程的应用提供理论指导.1 试验内容 1.1 试件制作试验制备混凝土强度等级为 C30，水泥使用 P.C32.5R 钻牌复合硅酸盐水泥，粗骨料为直径 515 mm连续级配的碎石，细骨料为细度模数 2.7 的天然河砂，混凝土配合比如表 1 所示.表 1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio强度水泥/kg河砂/kg碎石/kg水/kgC304256251 165205 试验制作长宽高为 100 mm100 mm300 mm的长方体试块，经标准养护达 28 d 后取出并运往试件加工厂，如图 1 所示.经过切割、取芯、打磨制作成最终制作成 75 mm50 mm 试件用于动态冲击试验.为保持试件端面受力均匀，符合“均匀性”假定，将端面平整度严格控制在 0.02 mm 以内.共取 160 块圆柱体试件，如图 1 所示.(a)脱模(b)取芯图 1 脱模及取芯后的混凝土试块Fig.1 Concrete test block after demoulding and coring 1.2 试验方案通过 YAD-2000 试验机对 3 个混凝土试件进行静态压缩实验，其应力应变曲线如图 2 所示，求其平均值获得其静态强度为 29.4 MPa.结合国内外学者的研究成果7 8以及本试验中混凝土试件力学特征，确定预加荷载的幅值分别取混凝土抗压强度（P=29.4 MPa）的 0、30%、50%、70%和 90%，共 5 种工况.按位移控制加载的方式制备初始损伤试件，加载速率为 2 mm/min，加载至目标比例荷载后卸载.00.51.01.52.02.50510152025303540应力/MPa应变/103123图 2 混凝土静态压缩应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens vPvP使用 RSM-SY5 型声波仪的超声波检测技术对预加载的混凝土试件进行损伤检测.引入损伤因子D 来定量评价损伤程度9 10.式（1）中、分别为试件受到损伤前、后的纵波波速，D=1(vPvP)2（1）利用子弹长度为 400 mm 的 SHPB 试验装置对具有荷载历史的混凝土试件进行冲击压缩试验，冲击速度控制在 28 m/s.确保每个相近速度下有 3 次平行试验，据此研究具有荷载历史的混凝土在不同应第 5 期李胜林等：静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究471变率下的动态力学性能.基于弹性应力波在细长杆中的一维传播理论，可用“两波法”（式（2）（4）计算试件的应力、应变和应变率.=AEA0t（2）=2c0l0t0rd（3）=2c0l0r（4）l0rt式中：A、E 分别为杆的横截面积和弹性模量；c0为杆件的弹性波波速；A0、分别为试件的横截面积和长度；、分别为反射和透射应变.1.3 动态应力平衡校验动态应力平衡是混凝土、岩石等脆性材料实现恒应变率加载的首要条件，通过波形叠加可验证SHPB 加载系统的应力平衡状态，可根据式（5）来校验 SHPB 试验的应力平衡问题，I+R=T（5）I、R、T式中分别为入射、反射和透射应力波.在实际校验时可采用相应的入射、反射和透射曲线代替.在研究中根据试验结果，相应地检查了试验数据的应力平衡问题，如图 3、图 4 所示，可以发现，试验结果表现出较好的应力平衡，表明本研究提供的SHPB 试验结果的有效性.2 试验结果及分析 2.1 损伤测量对试件施加不同程度的静载后，混凝土内部会出现微小的裂隙导致波速下降.采用声波测速仪对混凝土试件预加载前后的波速进行测试，按式（1）计算损伤值 D，计算结果如表 2 所示.表 2 静载历史下的损伤值Tab.2 Damage value under static load history编号初始荷载损伤前纵波波速/(ms1)损伤后纵波波速/(ms1)损伤值D10.3P4 3494 3250.011 024 3494 0000.154 134 3494 2740.034 2平均值4 3494 2000.066 440.5P4 3493 5870.319 754 3493 6250.305 264 3493 7580.253 3平均值4 3493 6570.29