加載速率對擬靜力試驗(yàn)的影響.docx

加載速率對擬靜力試驗(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，都會改變結(jié)構(gòu)的自重。回填土的密度隨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，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)分析方法不斷涌現(xiàn)，動載試驗(yàn)也被置于越來越突出的位置，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。大型振動臺的出現(xiàn)，無疑給結(jié)構(gòu)抗震提供了一個(gè)有效手段，但是振動臺試驗(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)（擬動力試驗(yàn)）相比振動臺試驗(yàn)，具有承載力大、技術(shù)簡但、成本低廉等優(yōu)勢。仍然在抗震試驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作用。二、 加載速率對巖石力學(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-位移全過程,對巖石破壞后區(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。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。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；在相同的軸向應(yīng)變時(shí)，高加載速率使剪切帶長度降低。隨著加載速率的增加，巖樣失穩(wěn)破壞的前兆越來越明顯，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，導(dǎo)致不正確地估計(jì)了應(yīng)力峰值所對應(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)變曲線的峰值及對應(yīng)的軸向應(yīng)變增加。三、 加載速率對混凝土力學(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)變速率的影響會帶來較大的誤差。1.1. 加載速率對混凝土材料單軸性能的影響張玉敏3通過對不同強(qiáng)度等級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，其中 C20C35 混凝土增長范圍為 133%，C40C60 的增長范圍為 231%；峰值應(yīng)變的趨勢與抗壓強(qiáng)度相同，其中 C20C35 混凝土增長范圍為 0.619%，C40C60 的增長范圍為 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 1.834.16104N/mm2之間；泊松比在 0.20 上下波動且整體范圍為 0.080.26；動態(tài)和擬靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似。切割混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力對應(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)度等級的增大而變大，應(yīng)變速率則對峰值割線模量影響不大，對于極限模量，隨著混凝土強(qiáng)度等級和應(yīng)變速率的提高，則呈上升的趨勢。1.1 加載速率對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，隨著加載速率的升高，飽和混凝土的的動態(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力劈拉強(qiáng)度增高；增高的機(jī)理可以通過裂紋中自由水彎月面對裂紋面產(chǎn)生的有益拉應(yīng)力以及高速加載條件下的Stefan效應(yīng)來解釋，而自由水的有益拉應(yīng)力和Stefan效應(yīng)對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，強(qiáng)度提高的較多。1.2 加載速率對混凝土和鋼筋粘結(jié)性能的影響張偉平等5通過個(gè)試件的偏心拉拔試驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集加載過程中的粘結(jié)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)長度等因素對破壞形態(tài)、粘結(jié)強(qiáng)度及相對滑移的影響。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，試件也會由混凝土劈裂破壞向鋼筋拔出破壞轉(zhuǎn)變。1.3 加載速率對鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的影響曹聞博6對混凝土梁和柱進(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、 加載速率對金屬材料性能的影響楊麗等7對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(4 102/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(s430MPa)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,因此可以忽略它對斷裂過程帶來的影響。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,塑性變形過程是比較緩慢的,為進(jìn)行充分的塑性變形,需要較長的時(shí)間,當(dāng)加載速率高時(shí),變形速率超過了進(jìn)行塑性變形所需的臨界變形速率,則塑性變形過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,變形硬化過程也受到影響,從而增加了材料的脆化傾向。圖 2 30A鋼在高加載速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載速率對材料的微觀斷裂機(jī)制也會產(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)研究及強(qiáng)度變化機(jī)理J. 工程力學(xué), 2007,