加載速率對(duì)擬靜力試驗(yàn)的影響

1、加載速率對(duì)擬靜力試驗(yàn)結(jié)果的影響摘要：靜力試驗(yàn)是目前結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最普遍和最常見的方法之一。靜力試驗(yàn)中的加載速度直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間成本。因此，選取合適的加載速率，既能得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又能提高實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省時(shí)間成本。本文討論了加載速率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，為試驗(yàn)中選擇合理和加載速度提供了參考。一、靜力試驗(yàn)的意義和優(yōu)勢(shì)由于土木工程涵蓋的專業(yè)領(lǐng)域很寬，土木工程的荷載種類很多。如結(jié)構(gòu)自重，土的自重，風(fēng)荷載，雪荷載，水壓及流水壓力，以及某些情況下產(chǎn)生的地震作用，溫度作用等偶然何在和間接作用。一般的，按照荷載的時(shí)間變異，將荷載分為永久作用在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時(shí)間變化，或其變化值可以忽略、可

2、變作用在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時(shí)間的變化不可忽略、偶然作用在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)可能出現(xiàn)，且量值可能很大的作用。嚴(yán)格地講，所有的荷載作用都是隨時(shí)間的發(fā)展而變化的，例如混凝土在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的碳化、剝落，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的銹蝕等，都會(huì)改變結(jié)構(gòu)的自重?；靥钔恋拿芏入S著降雨的變化而變化。但上述這些變化本身都很小，加之變化持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，變化引起的結(jié)構(gòu)的加速度極小，其加速度更是可以忽略不計(jì)。荷載能否按靜載處理的關(guān)鍵不在于結(jié)構(gòu)是否具有動(dòng)力特性，而在于是否使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽略的加速度。結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最多，最常見的一種基本試驗(yàn)方法，因?yàn)榻^大部分結(jié)構(gòu)在工作中承受的是靜力荷載。在科技迅猛發(fā)展的今天，盡管各式各樣的結(jié)構(gòu)分析

3、方法不斷涌現(xiàn)，動(dòng)載試驗(yàn)也被置于越來(lái)越突出的位置，但是靜載試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計(jì)和施工中仍然起著重要的作用。大型振動(dòng)臺(tái)的出現(xiàn)，無(wú)疑給結(jié)構(gòu)抗震提供了一個(gè)有效手段，但是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)存在承載力小、試驗(yàn)費(fèi)用高、技術(shù)復(fù)雜等弊病。低周反復(fù)試驗(yàn)（擬靜力試驗(yàn)）和計(jì)算機(jī)-電液伺服聯(lián)機(jī)試驗(yàn)（擬動(dòng)力試驗(yàn)）相比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，具有承載力大、技術(shù)簡(jiǎn)但、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。仍然在抗震試驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作用。加載速率對(duì)巖石力學(xué)性能的影響吳玉山等1根據(jù)巖石在單軸壓縮下取得的荷載-位移全過(guò)程,對(duì)巖石破壞后區(qū)力學(xué)性狀進(jìn)行了探討。隨著應(yīng)變率的增加,峰值強(qiáng)度也隨之增大。以大理巖情況為例,當(dāng)應(yīng)變率增加10倍，強(qiáng)度增加5-15%。這一結(jié)果與日本西松裕

4、一等人“應(yīng)變率每增加10倍，強(qiáng)度增加75kg/cm”的結(jié)論大致相符。但是,峰值強(qiáng)度前的變形量,隨著應(yīng)變率的增加,其變化不明顯,均屬同一數(shù)量級(jí)。從該表可知，當(dāng)應(yīng)變率從10-7s/增加到10-4/s時(shí),非彈性變形量減少了31%石左右。這一趨勢(shì)表明,隨著應(yīng)變率的增加,巖石越顯脆性。巖石到達(dá)峰值前的非彈性變形量,隨著應(yīng)變率的增加而減少。據(jù)大理巖試件的統(tǒng)計(jì),其數(shù)值如表1所示。試仲Rtp*L-Ilf)mrak-nun試flI叮:力；ininnf/iry：.iiLij“n.n：大理巖花崗巖角閃巖圖1不同加載速率下幾種典型巖石的荷載-位移曲線表1大理巖在不同應(yīng)變速率加載下的強(qiáng)度和變形指標(biāo)巖性應(yīng)變速率1/S極限

5、強(qiáng)度(MPa)峰值變形(mm)塑性變形大理巖5.2*10-4130.30.350.075大理巖5.2*10-5115.00.3150.080大理巖5.2*10-698.50.3750.082大理巖5.2*10-794.20.300.110王學(xué)斌2】使用有限差分軟件FLAC編制的計(jì)算平面應(yīng)變壓縮巖樣軸向、側(cè)向、體積應(yīng)變及泊松比的FISH函數(shù)，模擬了加載速率對(duì)剪切帶圖案及巖樣全部變形特征的影響。加載速率較低及適中時(shí)，巖樣發(fā)生單剪切破壞，剪切帶傾角及寬度不受加載速率影響，應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線及應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)變曲線軟化段的斜率不依賴于加載速率；高加載速率使巖樣發(fā)生X型剪切破壞，兩種曲線軟化段較平緩；在相同

6、的軸向應(yīng)變時(shí)，高加載速率使剪切帶長(zhǎng)度降低。隨著加載速率的增加，巖樣失穩(wěn)破壞的前兆越來(lái)越明顯，當(dāng)加載速率較高時(shí)，前兆反而不明顯，這是由于應(yīng)力存在較大的波動(dòng)，導(dǎo)致不正確地估計(jì)了應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。在應(yīng)變軟化階段，高加載速率使側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變曲線、泊松比與軸向應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變曲線變平緩，也使體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變曲線的峰值及對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)黾?。三、加載速率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響由于混凝土是應(yīng)變速率敏感性材料，隨著應(yīng)變速率的增加混凝土表現(xiàn)出與靜態(tài)下不同的力學(xué)特性和破壞形態(tài)?；炷两Y(jié)構(gòu)在地震、撞擊和爆炸等動(dòng)力作用下進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析時(shí)，若不考慮應(yīng)變速率的影響會(huì)帶來(lái)較大的誤差。1.1.加載速率

7、對(duì)混凝土材料單軸性能的影響張玉敏3通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的模澆混凝土和切割混凝土在不同加載速率下的力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，模制混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著應(yīng)變速率的增加，單軸壓縮狀態(tài)下混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，其中C20C35混凝土增長(zhǎng)范圍為133%，C40C60的增長(zhǎng)范圍為231%；峰值應(yīng)變的趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度相同，其中C20C35混凝土增長(zhǎng)范圍為0.619%，C40C60的增長(zhǎng)范圍為0.723%；混凝土初始彈性模量和泊松比則受應(yīng)變速率的影響很小，初始彈性模量大致在1.834.16X104N/mm2之間；泊松比在0.20上下波動(dòng)且整體范圍為0.080.26；動(dòng)態(tài)和擬靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似。切割混凝

8、土試驗(yàn)結(jié)果表明，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增加有所提高，從最高速率10-1/s到最低速率10-5/之間，峰值應(yīng)力的提高范圍大致在22%28%左右，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變提高范圍大致在23%39%左右；初始彈性模量各強(qiáng)度等級(jí)在各個(gè)應(yīng)變速率下變化不大；峰值割線模量則基本隨強(qiáng)度等級(jí)的增大而變大，應(yīng)變速率則對(duì)峰值割線模量影響不大，對(duì)于極限模量，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)和應(yīng)變速率的提高，則呈上升的趨勢(shì)。加載速率對(duì)混凝土劈裂性能的影響王海龍等4利用大型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)研究了不同加載速率下飽和混凝土與干燥混凝土的劈裂強(qiáng)度變化情況，試驗(yàn)研究表明：在準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)，與干燥的混凝土相比飽和混凝土的劈裂強(qiáng)度有所降低，隨著

9、加載速率的升高，飽和混凝土的的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度有較大的提高。在快速加載條件下，與干燥的混凝土相比飽和混凝土的動(dòng)力劈拉強(qiáng)度增高；增高的機(jī)理可以通過(guò)裂紋中自由水彎月面對(duì)裂紋面產(chǎn)生的有益拉應(yīng)力以及高速加載條件下的Stefan效應(yīng)來(lái)解釋，而自由水的有益拉應(yīng)力和Stefan效應(yīng)對(duì)混凝土的影響程度與加載速度緊密相關(guān)，低速時(shí)自由水的有益拉應(yīng)力占主要作用而高速加載時(shí)Stefan效應(yīng)起到主導(dǎo)作用。從斷裂面上來(lái)看，快速加載時(shí)斷面較為平整且有較多的石子發(fā)生斷裂，由此可以看出在較高的加載速率下孔隙水對(duì)裂紋的有益拉力使得混凝土界面相的宏觀強(qiáng)度相應(yīng)提高，基體相的強(qiáng)度趨于均化，因此快速加載時(shí)飽和混凝土的基體相類似于高強(qiáng)混凝土，

10、強(qiáng)度提高的較多。加載速率對(duì)混凝土和鋼筋粘結(jié)性能的影響張偉平等通過(guò)37個(gè)試件的偏心拉拔試驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集加載過(guò)程中的粘結(jié)一滑移關(guān)系數(shù)據(jù)，分析了加載速率、保護(hù)層厚度、鋼筋位置、箍筋和粘結(jié)長(zhǎng)度等因素對(duì)破壞形態(tài)、粘結(jié)強(qiáng)度及相對(duì)滑移的影響。研究結(jié)果表明：隨著加載速率的增大，混凝土抗拉強(qiáng)度提高且混凝土徑向裂縫發(fā)展滯后，試件由混凝土劈裂破壞向鋼筋拔出破壞轉(zhuǎn)變，劈裂破壞試件的粘結(jié)強(qiáng)度提高；在相同加載速率下，隨著保護(hù)層厚度的增大，試件也會(huì)由混凝土劈裂破壞向鋼筋拔出破壞轉(zhuǎn)變。加載速率對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的影響曹聞博6對(duì)混凝土梁和柱進(jìn)行了不同速率下的單調(diào)和低周反復(fù)加載，隨著加載速率的提高，鋼筋混凝土梁在單調(diào)加載下，其

11、極限承載力能力得到提高，梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載與成很好的線性關(guān)系，位移延性系數(shù)有少量提高。梁的能量耗散量是隨著加載速率的增加而增加的，且增加的程度相對(duì)較大。在本文試驗(yàn)的加載速率范圍內(nèi)，鋼筋混凝土梁均發(fā)生彎曲破壞，但隨著加載速率的提高，其裂縫分布愈加均勻。隨著加載速率的提高，鋼筋混凝土柱在單調(diào)加載下，其極限承載力能力得到提高，柱的屈服荷載和極限荷載與成很好的線性關(guān)系，位移延性系數(shù)有降低。能量耗散隨著加載速率的增加而增加的。四、加載速率對(duì)金屬材料性能的影響楊麗等對(duì)30A鋼進(jìn)行了霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，繪制了30A鋼在高應(yīng)變率下(4X102/s)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與靜態(tài)下材料的屈服強(qiáng)度(s4

12、30MPa)相比，可以看出，隨著應(yīng)變率的增加,材料的屈服強(qiáng)度升高,表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變速率敏感效應(yīng)。靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)加載的加載速率和變形速率比較低,因此可以忽略它對(duì)斷裂過(guò)程帶來(lái)的影響。在高的加載和變形速率下,材料變形和斷裂的性質(zhì)發(fā)生了改變。在彈性階段,應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)是以聲速進(jìn)行的,當(dāng)變形速率低于材料的聲速時(shí),變形速率對(duì)材料的彈性變形性質(zhì)沒有影響,但在塑性變形階段,塑性變形過(guò)程是比較緩慢的,為進(jìn)行充分的塑性變形,需要較長(zhǎng)的時(shí)間,當(dāng)加載速率高時(shí),變形速率超過(guò)了進(jìn)行塑性變形所需的臨界變形速率,則塑性變形過(guò)程受到了約束和限制,將使材料的屈服點(diǎn)升高,塑性有可能降低,變形硬化過(guò)程也受到影響,從而增加了材料的脆化傾向。加載速率對(duì)材料的微觀斷裂機(jī)制也會(huì)產(chǎn)生影響,靜態(tài)下材料的微觀斷裂機(jī)制為微孔聚集型;動(dòng)態(tài)下材料的斷裂表現(xiàn)為由延性韌窩形態(tài)向準(zhǔn)解理形態(tài)轉(zhuǎn)變。參考文獻(xiàn)1吳玉山，林卓英.單軸壓縮下巖石破壞后區(qū)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究J.巖土工程學(xué)報(bào),1987,卷缺失(1):23-31.2王學(xué)濱.加載速度對(duì)巖樣全部變形特征的影響J.巖土力學(xué),2008,卷缺失(2):353-358.3張玉敏.不同應(yīng)變率下混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究D.出版地不詳:北京工業(yè)大學(xué)，2012.4王海龍，李慶斌.不同加載速率下飽和混凝土的劈拉試驗(yàn)研究