高强混凝土单轴动态抗压本构关系.pdf

6 低温建筑技术 2 0 1 3年第 5期 ( 总第 1 7 9期 ) 高强混凝土单轴动态抗压本构关 系 王艾迪 ， 王汉迎 ， 孙吉书 ， 闫小敬 【 1 河北 工业大 学土木工程学院 ， 天津3 0 0 4 0 1 ； 2 西安建筑科技大学土木工程学院 ， 西安7 1 0 0 5 5； 3 中国新兴保信建设总公 司。 北京1 0 0 0 7 9) 【 摘要】 通过对高强混凝土动态抗压试验结果进行详细分析， 引入应变速率因子， 结合静态本构模型， 建 立高强混凝土单轴动态抗压本构关系模型。并用试验所得的数据对得到的模型进行验证 ， 结果表明文中所建模 型的准确性与科学性， 为研究其它混凝土动态本构关系奠定了基础。 【 关键词】 高强混凝土； 动态抗压； 应变速率； 本构关系 【 中图分类号】 T U 5 2 8 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 6 0 3 DYNAM I C UNI AXI AL COM PRES S E CoNSTI TUTI VE RELATI oN oF HI GH - STRENGTH CoNCRETE WA N G A i d i ， WA N G Ha n y i n g ， S U N J i s h u ， Y A N X i a o - j i n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i ， H e b e i U n i v o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ； 2S c h oo l o f Ci v i l En g i ，Xi a n Un i vo f Ar c hi t e c t u r e a n d Te c h n o l o gy ，Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 3 C h i n a X i n x i n g B a o x i n C o n s t r u c t i o n C o r p o ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 9， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r e s t a b l i s h e d t h e h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e d y n a mi c u n i a x i a l c o mp r e s s i v e c o n s t i t u t i v e r e l a tio n mo de l b y fl d e t a i l e d a n a l y s i s o f d y n a mi c c o mp r e s s i o n t e s t r e s u l t s o f h i g h s t r e ng t h c o n c r e t e， i n t r o d u c e d s tr a i n r a t e f a c t o r ，a n d c o mb i n e d wi t h o f s t a t i c c o n s t i t u t i v e mo d e 1 Th e n t e s t a n d v e r i fi e d the mo d e l wi th d a ta o b t a i n e d ， th e r e s u l t s h o w tha t t he a c c u r a c y a n d s c i e n t i fi c o f mo d e l i n thi s a r t i c l e，a nd t h i s a r t i c l e wo u l d l a i d t h e f o un d a t i o n f o r t h e s t u d y o f o t h e r c o n c r e t e d y nam i c c o n s ti t u t i v e Ke y wo r d s： h i g h s t r e n g t h c o nc r e t e；d y n a mi c c o mp r e s s i v e；s t r a i n r a t e；c o ns t i t u t i v e r e l a t i o n s 众所 周 知 ， 混 凝 土材料 具有 率敏感 性 的特性 ， 其 强度等特性受荷载 的应变速率影响很大。因此进 行混凝 土结构 设计 时 仍按 静态 荷载 下参 数来 计算 已 不正确， 可是规范都是简单的将静态荷载作用下的相 关参数提高一定的比例来进行， 混凝土结构设计规 范 给出了混凝土在静态荷载作用下的强度和本构 关 系 ， 这 对动态荷载 的考 虑是不 成熟且 不安 全的。 因 此 ， 需对 混 凝 土结构 进行 准确 的动力 分 析 ， 需进 一步 研究单 轴动态荷载下混凝 土的本构关系 。 由于非线 弹性 本构 模 型能 够全 面展 示混 凝 土受 力过程 中非线性 变形 的主要特点 j ， 故 文 中采 用非 线 弹性本构模型， 根据高强混凝土单轴动态抗压强度、 弹性模量 与应变 速率 的相 关关 系式 ， 引入应 变速率 修 正系数对类 似的本构模 型进行 修正 ， 进而建 立高强 混 凝 土的单轴 动态抗压本构 模型 ， 并应 用试验 数据对 修 正的本构模 型进行验证 。 1 混凝土抗压本构 关系模型概 述 本 构关系是 描 述混 凝 土力 学与 变形 特性 的重 要 方式 ， 是建立多轴本构关 系理论 的基础 。混 凝 土单 轴 抗压本构模型是 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规 范 引入 的基础模 型 ， 通 过试 验得 出混 凝 土 的单 轴 抗压应力应变关系曲线， 经计算得出混凝土单轴抗压 本构模型。清华 大学 过 镇海 等 提 出对 上 升段 用 多 项式方程 、 下降段用有理分 式方程 来表示混凝 土动 态 本构模型是 目前 国内应 用最 广泛的全 曲线方 程形 式 ， 已被很多规范 采 用。但 目前仍 没 有通 用 的混凝 土本 构模型 ， 只能结合工程 的实 际来选择合适模型。 2混凝土单轴动态抗压本 构关 系模型的建立 2 1试验原理及方法 试验采用河北理工大学结构试验室 M T S液压伺 服试验机进行加 载 ， 用 高速便 捷式测 试 系统 S T R A I N B O O K采集。试件 为 7 0 r a i n X 7 0 m m X 2 0 0 ra m 的棱 柱 体 ， 采用 C 6 0混凝 土 ， 配合 比为水泥 ： 水 ： 细骨 料 ： 粗骨 料 ： 减水剂 =4 5 4 ： 1 6 1 ： 6 7 4 ： 1 1 6 5 ： 7 8 ， 单 位 为 k g m 。 水泥采用 P 0 5 2 5普通 硅酸 盐水泥 ， 粗骨 料粒 径为 5 2 0 ra m的碎石 ， 细骨 料为级 配 区 中砂 ( 天然 河砂 ) ， 王艾迪 等 ： 高强混凝土单轴动态抗压本构关系 7 采用 自来水拌合混凝 土 ， 添 加剂 为_ 聚羧 酸减水 剂。在 试件平 行 于 加 载 方 向 的两 个 对 面 中 心 分 别 交 叉 贴 5 m m 6 0 ra m和 5 m m 3 0 mm的应 变片 ， 为 了试验 数据 的准确性 ， 在竖向另两个 面上放置 L V D T， 每组试验 3 个试件 。 2 2 混凝土单轴动态抗压本构关系模型的建立 文 中对高强混凝土 ( C 6 0 ) 进行 了应 变速率分 别为 1 X 1 0 一 s 、 1 X 1 0一 s 、 1 1 0 一 s 、 1 X 1 0 s 等 四种 应 变速率 ， 并 以 1 1 0 。 s 为 准静 态应 变速 率 的动态 压 缩试验， 通过对动态压缩试验数据的汇总分析， 得 出 了不同应变速率下的 C 6 0混凝土单轴动态抗压强度， 弹性模量及峰值应变的平均值如表 1 所示。 表 1 C 6 0混凝 土在相应应 变速率下的抗压强度 。 弹性模量及峰值应变均值 试验表明， 混凝土动态抗压强度及弹性模量均随 应变速率 的增加 而增大 ， C E B( 欧洲 国际混凝 土 学会 ) 建议的混凝土的抗压强度及弹性模量动态增加系数 计算公式 如式 ( 1 ) ( 4 ) 所 示。 务 。 务 邛 ( 嘶 。 务 = ( 爰 = ( 妻 )一 3 0 s ( 1 ) ( 2) ( 3 ) ( 4 ) 式 中 ： 为混凝土准 静态 抗压强 度 ； 。 、 为准 静 态和 动 态 应 变 速 率；O t =1 ( 5+ 。 ) ， JB= l 0 =I OMP a 。 应变速率是指单位时间内应变的改变量 ， 计算采 用本构模型不 同， 应变 速率 的计算公式 及形式 也不 相 同。文 中拟构造非线 弹性本 构模 型 ， 采 用应变 率就是 总应 变率 ， 即计算 时间段 内总的应 变对时间的 比值 。 ： Eo ， E c s 世 。 c ( 5 ) 应变速率提高因子是对准静态力学性能的修正 ， 文中采用 C E B推荐的公式来计算强度的提高因子和 弹性模量 的提高 因子 ， 如式( 6 ) 和( 7 ) 。 叼 =f d _ 1 + 幽 妻 (6 ) ： - = 1 + A l g - ：-J ( 7 ) 从表 1中还可以发现 ， 动态荷载作用下的混凝土 峰值应变没有明显的变化， 而峰值应力却随应变速率 的增加有明显的提高。因此构建混凝土动态本构模 型时 ， 峰值 应变 就取 动态 荷载 下 的峰值应 变 ， 对 于 动 态峰值割线模量则引入应变速率来修正。即： E ： ： 。 综上分析， 得到的考虑应变速率影响的混凝土抗 压本构模型 ： A ( 与) + ( D一 1 ) ( 与) ：叼 一 ( 8 ) 1 + ( A 一 2 ) ( 与) + D ( 与) c c 式中， A= E ： = y E o ( 占 ) ； 占 、 分别为动 态应变和动态峰值应变 ； D根据试验应力应变曲线形 状取 0 5 。 3混凝土动态本构 关 系模型的验证 根据 高强混凝 土 单轴 动态 抗 压试 验得 到 的数 据 对本 构模 型进行验证 。视 1 X 1 0 s 为准静态应 变速 率 ， C 6 0混凝土的准静态抗压强度与弹性模量分别为： = 5 6 6 0 M P a ， E o = 4 2 6 1 X 1 0 M P a 。拟合后的抗压强 度提高因子和弹性模量提高因子分别为： v =1十0 0 51 41 g 。 =1+0 0 9 51 应用本模 型计 算 得 出的高 强混 凝土 极 限抗 压强 度和 5 0 左右峰值应变处的应力 ， 将计算结果与试验 结果相 比， 如表 2和 3 所示 。 表2 C 6 0混凝土峰值应力的模型计算值 与试验值 的比较 表 3 C 6 0混凝土 4 0 左右峰值应变处 的 模型计算值与试验值 从表 2和 3中 的数 据 可以看 出 ， 不 同应 变速率 下 的极 限抗压 强度模 型计算 结果 与试验结果相差很小 ， 8 低温建筑技术 2 0 1 3年第 5期( 总第 1 7 9期 ) 水泥 固化剂稳定铁尾 矿砂路用性能研 究 陈士忠 ， 时正武 ， 刘岩 ， 潘宝峰 ( 1 朝阳市公路管理处 ， 辽宁朝阳1 2 2 0 0 0； 2 大连t i- r 大学交通运输学院 辽宁大连1 1 6 0 2 3) 【 摘要】 将一定比例的铁尾矿砂 、 砂砾进行混合， 并用水泥与土壤固化剂综合稳定。试验结果表明： 该混 合料除力学指标低于 4 水稳砂砾外 ， 其它性能指标并无显著差别。该混合料应用于各级公路的底基层和低等级 公路基层是可行的， 这为水泥与土壤固化剂综合稳定铁尾矿砂混合料提供了理论依据。 【 关键词】 铁尾矿砂； 土壤固化剂； 公路基层 【 中圈分类号】 I 1 2 5 2 8 4 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 8 0 3 随着我国经济快速发展， 传统粗放型的经济增长 方式使得我国资源短缺的矛盾越来越突出， 环境压力 越来越 大。走 中国特色新 型工业化 道路 、 大力发 展循 环经 济、 提高 资源 利用率 ， 是解决 当前我 国资 源、 环境 对经济发 展 制约 的必 由之路 。尾矿 的综 合利 用 首 当 其冲， 已受到世界各国的重视” ， 它既关系到企业和 行业 的生存与发展， 又影响环境与安全， 是社会关注 的热点。目前， 我 国工业固体废弃物综合利用率在 6 0 左右， 而尾矿的综合利用率平均不到 1 0 。尾矿 已成 为我 国工业 目前产 出量最大 、 综 合利用 率最低 的 大宗固体废弃物 。截止 2 0 0 9年， 全国尾矿堆积总量 为 1 0 0亿 t ， 仅 2 0 1 0年 ， 全国尾矿排量近 1 2亿 t 。 尾矿 的大量堆存带来资源、 环境、 安全和土地等诸多 问题 ， 因此做好尾矿的综合利用是落实科学发展观， 统筹 人 与 自然 和谐 发展 ， 发展 生 态文 明 ， 建设 资源 节 约型、 环境友好型社会的具体表现 。 目前 国内 已考虑 将低 成本 的铁尾 矿砂 应 用 到公 路建设中 ， 多年实践表明， 一定技术条件下 ， 铁尾 矿砂用于公路建设是可行的。鉴于此， 朝阳市公路管 理处与大连理工大学道路研究所进行合作， 对铁尾矿 砂在公路工程 中的应 用进行 了大 量的试验 研究 ， 不仅 解决了铁尾矿存放产生的系列问题 ， 也解决了筑路材 料 日益短缺的问题 ， 具有可观的社会及经济效益。 1 原材料 试验所 用 的铁 尾矿 砂 、 砂 砾 均 取 自辽 宁 省 朝 阳 市， 铁尾矿砂中氧化物含量见表 1 ， 颗粒级配见表 2 ， 其 细度模数为 1 4 7 ， 按照砂的分类属于特细砂 ； 砂砾的 颗粒级配见表 3 。水 泥 采用 的是 3 2 5级普 通硅 酸 盐 水泥 。固化剂 采 用吉林 中路新 材 料有 限 责任公 司生 产的Z L一 2 A型固化剂， 其技术指标见表 4 。 2试验 设计 根据大连理工大学杨青 等人的研究结果： 1 l 而 4 0 左右峰值应变处应力模型计算与试验结果也 相差不大 ， 这说 明建立 的本构模型是正确 的。 4结语 ( 1 ) 高强 混凝 土抗 压强 度 ， 弹性模 量随应 变 速 率增加而增大， 混凝土的峰值应变没有明显的变化。 ( 2 ) 通过引入的应变速率提 高 因子建 立 了混凝 土单轴动态抗压本构关系模型， 如下式： A ( 与) + ( D一 1 ) ( 与) 1 +( A一 2 ) ( ， ) + D( - ! ，_ ) c 8c ( 3 ) 通过混凝 土单轴 动态压缩试 验数据 对所建 立 的本 构关 系模 型进 行 验证 ， 结 果表 明 ： 文 中所 建立 的混凝 土单轴 动态 抗 压本 构关 系模 型与 试验 数 据 之 间能够很好的拟合， 具有充分的说服力 ， 是正确的。 参考文献 1 A b r a m s D A E ff e c t o f r a t e o f a p p l i c a t i o n o f l o a d o n t h e e o m p r e s s l v e s t r e n h o f c o n c t e J P r ee， 2 0 t h A n n u M e e t i n g ， A S T M， We d C o n s h o h o e k e n ，P a 1 9 1 7 ，( 1 7 ) ： 3 6 43 7 7 2 C B 5 0 0 1 0-2 0 0 2， 混凝土结构设计规范 s 3 陈婷婷 混凝土单轴动态抗压试验 及动态本构关 系研究 D 天津 ： 河北工业大学 ， 2 0 0 9 4 董毓利， 谢和平， 赵鹏 不同应变率下的混凝土受压全过程的 实验研究及其本构关系 J 水利学报， 1 9 9 7 ， ( 7 ) ： 7 2 7 7 5 闫东明 混凝土动态力学性能试验与理论研究 D 大连： 大 连理工 大学 ， 2 0 0 6 6 过镇海 ， 张秀琴 ， 等混凝 士 应力一应 变全 曲线 的试 验研 究 J 建筑结构学报 ， 1 9 8 2 ， 3 ( 1 ) ： 11 2 收稿 日期 】 2 0 1 3 0 1一I 4 【 作者简介 】 王艾迪 ( 1 9 8 7 )， 女 ， 河北 张家 口人 ， 硕士研 究生 ， 研究方 向： 结构抗震与防灾减灾 。