基本信息
- 项目名称：
- 加载频率对混凝土力学性能的影响研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 基于 INSTRON电液伺服试验机 ,通过不同的加载频率 ,完成了应变率由三个数量级范围内的混凝土准动态抗拉强度试验。试验结果表明，加载频率越高，混凝土抗拉强度越大，断裂面越平整；随着加载频率的增加，试件达到峰值载荷时的平均应变频率逐渐增大，对应的破坏时间也相应缩短；劈裂试验适合本试验。本项研究拓展了中应变频率的实验范围，为材料动态本构关系的研究奠定了理论和实验基础。
- 详细介绍：
- 混凝土是一种脆性材料，在受拉时很小的变形就要开裂，并且在断裂前没有残余变形。事实上，由于各建筑物的高度、结构形式、结构材料的不同，导致在受到不确定因素（如地震）的影响时，建筑物中某一部分产生的最大拉应力往往是最关键的部分，可见，结构的抗拉强度对抗开裂性有重要意义。在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标，有时用它来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度。因此，研究混凝土在各种动态加载条件下的应变率效应，特别是中应变率下的动力学响应，对于民用和军用结构的抗震设计，动态强度和稳定性评价都具有重要的理论与工程意义。 本课题的研究目标是加载速率对于混凝土力学性能的影响，但加载速率不仅与参数设置中的加载频率有关，也与加载波形有关。对于加载波形，本课题组的指导老师肖建清提出了平均速率的概念，详细地进行了理论推导。由于本课题中统一采用正弦波进行加载，使用平均速率并不方便，考虑到加载频率与加载速度亦具有正相关性，所以论文的题目便直接用的加载频率，而非加载速率。 根据INSTRON电液伺服试验机的测试能力，拟采用0.1Hz, 0.5 Hz ,1 Hz, 1.5 Hz ,2 Hz五种不同加载频率，各一种加载频率准备3个混凝土试样，共计15个试样。为了保证混凝土的力学性能不受其它因素的影响，试样取自于同一批次的混凝土，养护条件相同，尽量减少个体之间的差异性。 在试验中，以三个试件的测量的平均值作为该混凝土的劈裂抗拉强度值，三个试件中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差超过该中间值的15%，则把最大及最小值一并舍去，取中间值作为该混凝土的抗压强度值。如有两个测值与中间值之差超过15%，则此试验作废。劈裂抗拉强度试验以150×150×150mm立方体作为标准试件，采用100×100×100mm试件时，应乘以尺寸换算系数0.85。 为测量动载作用下混凝土的横向变应，应在处理后的表面的中心处垂直加载向贴一片应变片。实验选用65㎜×10㎜纸基应变片，用502胶将其牢固粘贴在处理过的试件面。 实验规范规定：垫层用木质三合板，宽为15-20mm，厚为3-4mm，长度应超试件，垫层使用一次后不得重复使用。本实验选用的垫层尺寸为：宽12-14mm，厚4mm。 试验采用荷载控制方式，操作步骤如下： ①将试件放在试验机振动器的工作平台上 ,上部放置一块大于劈条的钢垫片 ;②试验参数设置 :加载波形为正弦波 ,周期数 1,幅值设置要超过试件的估计强度值 ,本试验幅值设置为 100 KN。接着选择加载频率和数据采样频率 ,因为是动态实验 ,采样频率为 1 kHz。最后设置极限保护以保障设备安全 ； ③调试应变仪，调试好后打开记录应变信号。④输入动态加载指令，控制INSTRON将试件一次性压坏。 由于试样制备的过程中就已经形成了微裂隙，加载初期，由于原生裂纹的闭合，荷载时间曲线上凹。过了闭合段后，曲线近似为直线，这是弹性阶段，当然这阶段似乎并不明显，可见在加载过程中混凝土中的裂纹一直有萌生及扩展情况的存在。当裂纹扩展至贯通后，混凝土试样发生破坏，劈拉破坏时，不论加载频率如何，都表现为非常明显的脆性破坏。随着加载频率的增大，脆性破坏的现象越为显著。 研究混凝土类材料中应变率下的力学性能具有重要的理论和现实意义。如何实现介于10-41/s～10-11/s的中应变频率段便是对试验技术提出的新难题。本文完成了不同加载频率条件下混凝土的劈裂试验 ,系统地研究了加载频率对混凝土力学性能的影响 。试验结果表明： （1）混凝土试样劈拉破坏，不论加载速率如何，都是脆性破坏，随加载速率的增加脆性断裂的现象更为明显。 （2）混凝土试样的抗拉强度随着加载频率的增大而增大，加载频率从0.1Hz提高到2Hz，平均抗拉强度增加了约14%，而且加载频率越高，试样的断裂面越平整。 （3）随着加载频率的增加，试件达到峰值载荷时的平均应变率逐渐增大，对应的破坏时间也相应缩短。加载频率从0.1Hz提高到2Hz，平均应变速率显著地提高了2个数量级。 （4）劈裂试验比单轴压缩、单轴拉伸试验更适合于材料的动态力学性能分析。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 动载下混凝土的性能分析通常有两种最基本的动力学效应：惯性效应（或应力波效应）和材料的应变率效应。研究混凝土在各种动态加载条件下的应变率效应，特别是中应变率下的动力学响应，对于民用和军用结构的抗震设计，动态强度和稳定性评价都具有重要的理论与工程意义。 基本思路采用： 理论分析——力学试验——结果分析—— 回归分析 制备试件—— 分组实验——得出数据——数据分析。
科学性、先进性及独特之处
- 作品的选题来自于国家自然科学基金项目（《中应变率段岩石动态本构关系与累积损伤实验研究》，编号：10472134），而中等应变速率的实现是其核心内容。故而，作品的选题针对的是实际的科学问题，在国内鲜有相关的报导，具有显著的创新性和先进性。
应用价值和现实意义
- 本课题研究中应变率下混凝土力学性能的应变率相关性及应力-应变关系，可以为混凝土结构的抗震设计、混凝土结构的边坡稳定性以及混凝土结构的动态安全评估提供一个重要的理论依据。引入了平均加载频率的概念，最终确定混凝土的变化规律，从实验技术上突破中应变率范围的一二个量级，使其更接近于动态，这对于民用和军用结构的抗震设计，动态强度和稳定性评价都具有重要的理论与工程意义！
学术论文摘要
- 混凝土是一种脆性材料，在受拉时很小的变形就要开裂，并且在断裂前没有残余变形。事实上，由于各建筑物的高度、结构形式、结构材料的不同，导致在受到不确定因素（如地震）的影响时，建筑物中某一部分产生的最大拉应力往往是关键的部分，可见，结构的抗拉强度对抗开裂性有重要意义。在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标，有时用它来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度。因此，研究混凝土在各种动态加载条件下的应变率效应，特别是中应变率下的动力学响应，对于民用和军用结构的抗震设计，动态强度和稳定性评价都具有重要的理论与工程意义。 本课题基于 INSTRON电液伺服试验机 ,通过不同的加载频率 ,完成了应变率由 10-41/s～10-21/s 三个数量级范围内的混凝土准动态抗拉强度试验,。试验结果表明，加载频率越高，混凝土抗拉轻度越大，断裂面越平整；随着加载频率的增加，试件达到峰值载荷时的平均应变频率逐渐增大，对应的破坏时间也相应缩短；劈裂试验比单轴压缩、单轴拉伸试验更适合于材料的动态性能分析。本项研究拓展了中应变频率的实验范围，为材料动态本构关系的研究奠定了理论和实验基础。
获奖情况
- 2011年安阳师范学院挑战杯二等奖 2010年建筑工程学院学术科研团队二等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 肖建清. 混凝土准动态力学性能的实验研究与数值模拟[D].长沙:中南大学, 2005. [2] 姜福田. 混凝土力学性能与测定[M].北京:中国铁道出版社,1989. [3] 吴绵拔. 加载频率对岩石抗压和抗拉强度的影响[J].岩土工程学报,1982,(2): 97-105. [4] 张学峰,夏源明. 中应变率材料试验机的研制[J]. 实验力学,2001,(1):13-18. [5] Henny D.L. A theory of fatigue damage accumulation in steel[C].Trans AS ME, 1955,77: 913～918. [6] Cortan H.T, Dolan T.L. Cumulative fatigue damage. Proceed of the Inter[C]. Confer. on Fatigue of Metals. IME and ASME, 1956. [7] 龚洛书.混凝土实用手册（第二版）[M].中国建筑出版社,1995. [8] 马春德. 一维动静组合加载下岩石力学特性的实验研究[D]. 长沙:中南大学, 2003. [9] 罗章. 中等应变下钢纤维混凝土的本构关系研究[D]. 长沙:中南大学, 2004.
同类课题研究水平概述
- 近年来，美国Los Alamos 国家实验室和Lawrence Livermore 国家实验室对中应变率试验机技术及在中应变率下材料的力学行为等进行了一些研究，但他们的工作尚在进一步完善之中。国内的中国科学技术大学夏源明教授也开始了这方面的研究工作，他们已初步研制出技术指标为10-1/s～5*101/s 的中应变率材料试验机。据介绍他们的装置通过液压驱动、缓冲撞击加载、分级调速等技术产生了平稳、陡峭的中应变加载脉冲中，满足应变率上升时间小于试件弹性变形时间的要求，但有待进一步的调试改进，目前也未见有混凝土材料在他们的新实验机进行相关测试的报道。总的来说，研究材料在10-1/s～101/s应变范围内的力学性能的中应变率试验技术和中应变率试验装置则远未成熟（张学锋，夏源明，2001）。 在试验技术方面，国内外学者也进行了许多大胆的尝试。大连理工大学的黄承逵、赵国藩等在电液伺服疲劳试验机上进行了大量的试验，提出了不同加载速率对混凝土的抗拉强度、受拉弹性模量、泊松比、峰值应变和应力—应变全过程曲线的影响规律，其应变速率的研究范围介于10-5～10-2量级之间。中南大学的马春德、罗章等也进行了中应变率下岩石和混凝土抗压、抗拉以及抗折的试验，其应变速率的范围已经达到了10-5～10-1量级。中国科技大学的王道荣以及中国工程物理研究院的胡时胜，在混凝土材料大尺寸Hopkinson压干试验中，采用一种新的实验技术对其实施了损伤“冻结”实验，也可以达到中等应变速率。因此，在中等应变速率中若想突破一两个量级都是一件非常困难的事情。从目前国内外的研究现状可以看出，实现中等应变速率加载的装置仍处于研发中，而对于中等应变速率下材料的力学性能研究更是稀少，所以说，若是能基于现有的实验条件，通过设备的改造或某种特殊的试验方法实现中等应变速率的量级有所突破，这无疑是一项意义重大的工作。
