加載速率對擬靜力試驗的影響

1、加載速率對擬靜力試驗結果的影響摘要：靜力試驗是目前結構試驗中最普遍和最常見的方法之一。靜力試驗中的加載速度直接關系到實驗結果的準確性和實驗的時間成本。因此，選取合適的加載速率，既能得到準確的實驗結果，又能提高實驗效率，節(jié)省時間成本。本文討論了加載速率對實驗結果的影響，為試驗中選擇合理和加載速度提供了參考。一、靜力試驗的意義和優(yōu)勢由于土木工程涵蓋的專業(yè)領域很寬，土木工程的荷載種類很多。如結構自重，土的自重，風荷載，雪荷載，水壓及流水壓力，以及某些情況下產生的地震作用，溫度作用等偶然何在和間接作用。一般的，按照荷載的時間變異，將荷載分為永久作用在設計基準期內量值不隨時間變化，或其變化值可以忽略、可

2、變作用在設計基準期內量值隨時間的變化不可忽略、偶然作用在設計基準期內可能出現(xiàn)，且量值可能很大的作用。嚴格地講，所有的荷載作用都是隨時間的發(fā)展而變化的，例如混凝土在長時間工作時的碳化、剝落，鋼結構構件的銹蝕等，都會改變結構的自重?；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)的時間很長，變化引起的結構的加速度極小，其加速度更是可以忽略不計。荷載能否按靜載處理的關鍵不在于結構是否具有動力特性，而在于是否使結構產生不可忽略的加速度。結構擬靜力試驗是結構試驗中最多，最常見的一種基本試驗方法，因為絕大部分結構在工作中承受的是靜力荷載。在科技迅猛發(fā)展的今天，盡管各式各樣的結構分析

3、方法不斷涌現(xiàn)，動載試驗也被置于越來越突出的位置，但是靜載試驗在結構研究、設計和施工中仍然起著重要的作用。大型振動臺的出現(xiàn)，無疑給結構抗震提供了一個有效手段，但是振動臺試驗存在承載力小、試驗費用高、技術復雜等弊病。低周反復試驗（擬靜力試驗）和計算機-電液伺服聯(lián)機試驗（擬動力試驗）相比振動臺試驗，具有承載力大、技術簡但、成本低廉等優(yōu)勢。仍然在抗震試驗中發(fā)揮著重要的作用。加載速率對巖石力學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)力學性狀進行了探討。隨著應變率的增加,峰值強度也隨之增大。以大理巖情況為例,當應變率增加10倍，強度增加5-15%。這一結果與日本西松裕

4、一等人“應變率每增加10倍，強度增加75kg/cm”的結論大致相符。但是,峰值強度前的變形量,隨著應變率的增加,其變化不明顯,均屬同一數(shù)量級。從該表可知，當應變率從10-7s/增加到10-4/s時,非彈性變形量減少了31%石左右。這一趨勢表明,隨著應變率的增加,巖石越顯脆性。巖石到達峰值前的非彈性變形量,隨著應變率的增加而減少。據(jù)大理巖試件的統(tǒng)計,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大理巖在不同應變速率加載下的強度和變形指標巖性應變速率1/S極限

5、強度(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王學斌2】使用有限差分軟件FLAC編制的計算平面應變壓縮巖樣軸向、側向、體積應變及泊松比的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，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，應力-軸向應變曲線及應力與側向應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、的軸向應變時，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，當加載速率較高時，前兆反而不明顯，這是由于應力存在較大的波動，導致不正確地估計了應力峰值所對應的軸向應變。在應變軟化階段，高加載速率使側向應變與軸向應變曲線、泊松比與軸向應變曲線及體積應變與軸向應變曲線變平緩，也使體積應變與軸向應變曲線的峰值及對應的軸向應變增加。三、加載速率對混凝土力學性能的影響由于混凝土是應變速率敏感性材料，隨著應變速率的增加混凝土表現(xiàn)出與靜態(tài)下不同的力學特性和破壞形態(tài)?；炷两Y構在地震、撞擊和爆炸等動力作用下進行的結構分析時，若不考慮應變速率的影響會帶來較大的誤差。1.1.加載速率

7、對混凝土材料單軸性能的影響張玉敏3通過對不同強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性能的實驗研究，模制混凝土試驗結果表明，隨著應變速率的增加，單軸壓縮狀態(tài)下混凝土的抗壓強度也隨之增長，其中C20C35混凝土增長范圍為133%，C40C60的增長范圍為231%；峰值應變的趨勢與抗壓強度相同，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上下波動且整體范圍為0.080.26；動態(tài)和擬靜態(tài)試驗的應力應變曲線形狀相似。切割混凝

8、土試驗結果表明，峰值應力和峰值應力對應的應變隨應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，峰值應力的提高范圍大致在22%28%左右，其對應的應變提高范圍大致在23%39%左右；初始彈性模量各強度等級在各個應變速率下變化不大；峰值割線模量則基本隨強度等級的增大而變大，應變速率則對峰值割線模量影響不大，對于極限模量，隨著混凝土強度等級和應變速率的提高，則呈上升的趨勢。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機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度變化情況，試驗研究表明：在準靜態(tài)加載時，與干燥的混凝土相比飽和混凝土的劈裂強度有所降低，隨著

9、加載速率的升高，飽和混凝土的的動態(tài)劈裂強度有較大的提高。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度增高；增高的機理可以通過裂紋中自由水彎月面對裂紋面產生的有益拉應力以及高速加載條件下的Stefan效應來解釋，而自由水的有益拉應力和Stefan效應對混凝土的影響程度與加載速度緊密相關，低速時自由水的有益拉應力占主要作用而高速加載時Stefan效應起到主導作用。從斷裂面上來看，快速加載時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度相應提高，基體相的強度趨于均化，因此快速加載時飽和混凝土的基體相類似于高強混凝土，

10、強度提高的較多。加載速率對混凝土和鋼筋粘結性能的影響張偉平等通過37個試件的偏心拉拔試驗，實時采集加載過程中的粘結一滑移關系數(shù)據(jù)，分析了加載速率、保護層厚度、鋼筋位置、箍筋和粘結長度等因素對破壞形態(tài)、粘結強度及相對滑移的影響。研究結果表明：隨著加載速率的增大，混凝土抗拉強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變，劈裂破壞試件的粘結強度提高；在相同加載速率下，隨著保護層厚度的增大，試件也會由混凝土劈裂破壞向鋼筋拔出破壞轉變。加載速率對鋼筋混凝土構件承載力的影響曹聞博6對混凝土梁和柱進行了不同速率下的單調和低周反復加載，隨著加載速率的提高，鋼筋混凝土梁在單調加載下，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。在本文試驗的加載速率范圍內，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對30A鋼進行了霍普金森壓桿實驗，繪制了30A鋼在高應變率下(4X102/s)的壓縮應力-應變曲線。與靜態(tài)下材料的屈服強度(s4

12、30MPa)相比，可以看出，隨著應變率的增加,材料的屈服強度升高,表現(xiàn)出明顯的應變速率敏感效應。靜態(tài)或準靜態(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發(fā)生了改變。在彈性階段,應力與應變的響應是以聲速進行的,當變形速率低于材料的聲速時,變形速率對材料的彈性變形性質沒有影響,但在塑性變形階段,塑性變形過程是比較緩慢的,為進行充分的塑性變形,需要較長的時間,當加載速率高時,變形速率超過了進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。加載速率對材料的微觀斷裂機制也會產生影響,靜態(tài)下材料的微觀斷裂機制為微孔聚集型;動態(tài)下材料的斷裂表現(xiàn)為由延性韌窩形態(tài)向準解理形態(tài)轉變。參考文獻1吳玉山，林卓英.單軸壓縮下巖石破壞后區(qū)力學特性的試驗研究J.巖土工程學報,1987,卷缺失(1):23-31.2王學濱.加載速度對巖樣全部變形特征的影響J.巖土力學,2008,卷缺失(2):353-358.3張玉敏.不同應變率下混凝土力學性能的試驗研究D.出版地不詳:北京工業(yè)大學，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研究