混凝土动力率效应力学性能研究

戴勇 唐鹏

摘要：混凝土作为目前应用最广泛的材料，受力特性不仅广泛且复杂，其在实际应用中多处于动力作用形态。文章对单轴受力和多轴受力下的混凝土动力率效应进行研究，阐述目前国内外的研究现状，并对混凝土受动力率影响的因素展开分析，对混凝土动力率效应形成全面的认识。

关键词：混凝土;动力率;受力形态

混凝土材料作为一种常见的建筑材料，由砂石骨料、水泥胶凝材料和水组成，因其组成材料的特性，混凝土在浇筑完成后的内部存在大量的微损伤部位，如孔洞和微裂纹等。这种材料存在极佳的优势，如取材容易、成本低、可塑性强和施工便利等，被广泛应用于建筑领域。在建筑领域混凝土的应用非常广泛，如房屋结构、桥梁结构、大坝水利结构和港口海岸结构等，在这些结构中混凝土不仅仅承受静力荷载的作用，更多的是承受动载的作用，如地震、飓风、爆炸和撞击等均属于动载作用，对于混凝土的受力研究不仅仅局限于静载受力的研究，其动载研究亦不容忽视[1]。

对于混凝土动力率效应的研究，已不仅仅局限于单轴受压和单轴受拉的研究，逐步趋向于多轴受力性能研究和考虑多影响因素的研究。文章从混凝土單轴受压、单轴受拉和多轴受力性能进行阐述，分析其对峰值应力、峰值应变（峰值应力对应的应变）和弹性模量的影响。

1混凝土单轴受力动力性能

首先发现混凝土动力效应的学者是Abrams[3]，即当混凝土的加载速率提高，混凝土的强度和变形也会受到影响。Jones[4]发现随着加载速率的提高混凝土的强度也会随之提高。在早期的研究，由于设备的限制，仅对混凝土单轴受压的动力率效应进行了研究。由普通的加载压力机到落锤试验，并发展到霍普金森压杆设备。

在研究中，国外学者开展了大量的试验，研究成果具体如下：当应变率由10-6/s提高到10-1/s时，Watstein[5]发现混凝土的抗压强度能够提高到85%左右。Hughes[6]采用落锤试验发现混凝土材料在受到冲击作用时，其抗压强度能够提高90%。

国内学者对混凝土动力率的研究成果也较为广泛，肖诗云[7]通过试验研究的方法，将应变率为10-5/s作为混凝土准静态抗压强度，并且从10-5/s加载到10-1/s，研究结果发现每个数量级混凝土的抗压强度依次能够提高4.8%（应变率10-4/s）、9.0%（应变率10-3/s）、12%（应变率10-2/s）和15.6%（应变率10-1/s） ;同时闫东明对混凝土进行抗拉动力率试验研究，研究结果表明混凝土受拉应变率在10-3/s加载到10-0.3/s，每个量级下混凝土的抗压强度幅度均有所增加大约13.5%。近年来，普通混凝土与轻骨料混凝土的动力率试验研究结果表明，两种混凝土均有应变率效应，且轻骨料混凝土受应变率影响强于普通混凝土，混凝土强度和弹性模量与应变率的对数函数呈线性关系。

霍普金森压杆（Hopkinson）试验，该设备能够达到很高的应变率，Zielinski对圆柱体进行动力率试验，当加载应变率的变化范围在2KN/mm2到60KN/mm2，混凝土的抗压强度能够得到很大的提高（133%～234%），其平均值提高范围在211%。

文献[6]对不同加载应变率普通混凝土受压强度和受拉强度国内外研究者相关试验数据进行总结，考虑加载应变率10-6/ s～104/s影响，如图1所示。

根据图1分析，混凝土单轴受压和单轴受拉加载方式其极限强度值均随着加载应变率的提高明显增大，根据对比分析，混凝土单轴受压受加载应变率影响提高幅度低于单轴受拉加载方式，当加载应变率小于100/s时，混凝土强度动态增长因子αDIF与对数应变率呈线性变化关系，如式（1）所示，当加载应变率大于100/s时，混凝土强度动态增长因子αDIF与对数应变率呈二次抛物线函数关系，如式（2）所示。

混凝土强度随着加载应变率的提高而提高，无论是单轴拉压还是多轴荷载试验研究，目前认为导致这种实验现成存在的原因主要是因为高应变率导致混凝土内部损伤来不及扩展，从而导致骨料的破坏，应变率越高骨料破坏的比例也越高，最终导致混凝土的强度急剧上升。

2混凝土多轴动力率效应

在实际工程中，混凝土更多的是受到多轴荷载的作用，如大坝中的混凝土受力形态以及钢管混凝土核心混凝土的受力形态，均在多向约束的作用下，考虑多轴作用下的混凝土动力率效应的研究具有重要意义。

国外研究者Fujikake应用伪三轴试验机（该设备的主要特点是围压数值相同）对混凝土圆柱体进行多轴动力性能试验研究，根据研究结果提出了混凝土多轴动力形态的破坏准则和相应的本构关系，其研究结果表明，混凝土围压增大，混凝土的应变率对其强度影响会逐步降低。Gran对混凝土进行三轴动力率试验，得到了相类似的结论，同时也发现动力率下混凝土破坏准则包络线高于静态荷载作用下的混凝土包络线在30%～40%范围之内。Takeda研究成果发现了不同应变率下混凝土破坏包络面在主应力空间下基本是平行的。

国内研究者吕培印利用真三轴设备（该设备的主要特点在于围压可设置不等，能够模拟更为符合实际情况的混凝土受力形态）对混凝土开展多轴动力性能试验，将加载速率分别设置为2MPa/min、20MPa/min、200MPa/min和2000MPa/min，设置的侧向压力分别为0fc、0.25fc、0.5fc和0.75fc。相关研究结果表明，混凝土强度随着侧向强度提高而提高，其加载速率提高也会导致强度提高，同时加载应变率对混凝土的变形影响不够明显，但侧向应力作用对其变形影响相对明显。

宋玉普[7]对混凝土在侧向应力作用下的劈裂强度受应变率影响进行了试验研究。研究结果表明，混凝土加载应变率的提高，其劈裂面会越来越平整，骨料破坏的成分会越来越多，其劈拉强度随着应变率提高逐步提高。

文章引用文献[7]对普通混凝土双轴受压和三轴受压试验数据分析加载应变率与多轴强度关系，如图2所示。

当围压为零时，混凝土受压强度受加载应变率影响最大提高幅度为12.82%，当混凝土双轴加载时，混凝土受压强度受加载应变率影响提高百分率为18.06%～30.39%，说明双轴受压强度受加载应变率影响高于单轴加载工况，三轴受压强度受加载应变率影响提高幅度低于10%，即三轴受压时受加载应变率影响较低，说明围压作用对混凝土动力强度影响明显。

根据上述多轴动力加载方式混凝土强度分析结果综述，混凝土多轴加载方式主应力受加载应变率影响明显，当混凝土处于双轴受力方式，其主应力受动力率影响变化幅度相比于单轴加载方式较低，当混凝土处于三轴受力方式时，其主应力受动力率影响变化幅度相比低于单轴加载方式和双轴加载方式。同时，加载应变率对混凝土多轴受力方式破坏准则影响较大，使得破坏准则拉压子午线相比低应变率加载工况有明显提高。实际工程中，混凝土多处于多轴受力状态，对于多轴加载方式下的动力性能研究具有更加重要的意义。

3峰值应变

混凝土峰值应力对应的应变称之为峰值应变，峰值应变受加载应变率的影响目前暂时还未有定论。文献[7]对混凝土峰值应变与加载应变率关系進行分析，如图3所示。

根据图3分析，混凝土峰值应变与加载应变率关系，主要有三个结论：第一，混凝土的峰值应变随着加载应变率的提高逐步提高;第二，混凝土的峰值应变随着加载应变率的提高没有变化;第三，混凝土的峰值应变随着加载应变率的提高反而降低。由于混凝土材料本身具备的随机性和非线性基本特征导致混凝土峰值应变随加载应变率影响变化规律尚未确定，处于离散波动的状态。

4混凝土动力率影响因素

影响混凝土动力率效应的影响因素有很多，目前的研究主要针对以下六个方面：混凝土的强度、含水量、温度、初始应力、骨料和水灰比。同时混凝土的动力性能也与混凝土的龄期、养护条件和试验方法等有关[4-7]。

4.1不同强度等级混凝土对混凝土动力性能的影响。其一，混凝土受动力影响提高因子随着混凝土强度的提高逐步提高;其二，混凝土受动力影响提高因子随着混凝土强度的降低逐步降低。对导致不同研究结论的原因进行分析，主要是由于混凝土试验研究存在较大的离散性，该离散性对研究混凝土强度等级受应变率影响具有较大的干扰，最终出现上述研究结论。

4.2含水量对混凝土动力性能的影响。由于混凝土属于一种多相复合型材料，本身存在一定的孔隙水，裂纹开展受水压和黏性机制作用影响，与Stefan效应作用机理相同，最终使得含水量对混凝土动力率影响明显，较高应变率下混凝土中水的存在是混凝土强度提高的重要因素，同时饱和状态下混凝土受动力率影响明显要高于正常湿度下混凝土的强度变化率。

4.3温度对混凝土动力性能的影响。混凝土强度随应变率的提高逐步增大，而混凝土强度随着温度的提高逐步降低，混凝土受加载应变率和温度影响明显，同时考虑加载应变率和温度的耦合作用，研究结论表明，混凝土在正常温度下的动力率效应略高于低温状态下混凝土受动力率影响的效应，同时温度效应对混凝土力学性能的影响高于应变率影响。。

4.4初始应力对混凝土动力性能的影响。初始应力作用后使得混凝土动力加载作用的加载历时相对提高，对混凝土力学性能影响明显，当初始应力越高时，混凝土动力加载历时越短，混凝土强度受加载应变率影响越低，当初始应力越低时，混凝土动力加载历时越低，混凝土强度受加载应变率影响越高，混凝土动力率下的强度随着初始应力的提高而逐步降低，同时其趋势随着初始应力的增大也逐步明显。

4.5混凝土所采用的粗骨料对动力性能的影响。当粗骨料的粘结性能较好时，混凝土具有较高的冲击韧性，同时在应变率较小时，骨料大小对混凝土应变率强度提高因子影响不明显，随着应变率提高，大骨料混凝土的强度将不再受应变率的提高而逐步提高。粗骨料的尺寸、形状以及类型对于混凝土动力性能存在一定的影响，但总体来说这种影响相对较弱，在一定程度上可以忽略。

4.6水灰比对混凝土动力性能的影响。与含水量对混凝土动力性能影响机理向类似，水灰比对混凝土动力性能影响明显，随着水灰比的提高，混凝土强度受加载应变率影响变化幅度逐步增大。

5结语

混凝土单轴加载和多轴加载均具有明显的动力率效应，其中三轴加载方式受动力率影响相对较低。混凝土强度受动力率影响明显，应变受动力率影响相对较为不明显，环境影响因素中，温度、初始应力、含水率和水灰比对混凝土动力性能影响明显，混凝土强度等级和粗骨料特性影响对混凝土动力性能影响相对较弱。

参考文献

[1]过镇海.混凝土的强度和变形：试验基础和本构关系[M].清华大学出版社，1997.

[2]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[3]闫东明.混凝土动态力学性能试验与理论研究[D].大连理工大学，2006.

[4]Watstein D.Effect of straining rate on the compressive strength and elastic properties of concrete[J].ACI Journal，1953，49（4）：729-744.

[5]Abrams D A.Effect of rate of application of load on the compressive strength of concrete[J].ASTM Journal，1917，17（2）：384-377.

[6]Hughes B P，Gregory R.Concrete subjected to high rates of loading in compression[J].Magazine of Concrete Research，1972，24（78）：25-36.

[7]尚世明.普通混凝土多轴动态性能试验研究[D].大连理工大学，2013.