循环荷载下混凝土耗散能及塑性应变演化动态试验研究

梁春华，熊鹏飞，姜 袁

(1.三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

当前，混凝土试验多集中在静态、动态单调加载方面[1-5]，现行规范中的设计方法多依据线弹性分析及材料单轴强度准则，而混凝土构件在实际使用过程中不可避免地受到反复荷载作用，如高层建筑受到的风荷载作用，海洋工程受到的潮汐力作用等。在这些运动荷载作用下构件的真实力学性能与当前多数试验所代表的工况存在较大出入，因此开展混凝土反复加载试验具有较大的现实工程意义。现阶段对岩石类材料在反复加卸载过程中的能量耗散及其演化规律有了一定深入的研究[6-13]，有关混凝土在反复加卸载破坏过程中能量的演化规律研究却较少[14-16]，鉴于此，本文主要对混凝土试件进行了10-5/s 、5×10-5/s、10-4/s 、10-3/s 4种不同工况下的反复加卸载试验，分析了试件加卸载过程中代表能量耗散的滞回环及塑性应变的变化规律，研究了耗散能与混凝土破坏程度之间的关系，所得成果对研究混凝土破坏过程有一定工程意义。

1 试件制备与试验

采用设计强度为C30、尺寸为300 mm×300 mm×300 mm立方体试件，粗骨料∶细骨料∶水用量∶水泥用量=1 256.0∶564.3∶180.0∶450.0，水灰比为0.4，其中水泥为42.5普通硅酸盐水泥，自来水拌和，钢模浇筑成型后自然条件下养护28 d。

试验前通过砂纸打磨除去试件表面凝固的浮浆，随后将试件置于加载小车上并推送至加载框中进行竖向对中调试。通过控制端对试件加载至10 kN以确保试件与加载装置充分接触，随后以等步长的位移控制方式进行循环加卸载至试件破坏。

2 结果分析

2.1 数据提取

图1给出了4种应变速率下混凝土试件循环加卸载应力-应变全曲线，图2为加卸载速率10-5/s下曲线局部放大后的滞

图1 不同应变速率下循环加卸载曲线Fig.1 Cyclic plus unloading curves at different strain rates

图2 速率10-5/s下滞回环示意图Fig.2 Down-delay loop diagram at rate 10-5/s

回环示意图，其中滞回环面积即为循环加卸载过程中被耗散的能量[6]。将试验曲线数据以excel形式导出，将应力-应变曲线数据转化为坐标数据后整体导入至AutoCAD工程软件中，对滞回环进行隔离后即可通过查询功能精确统计每一工况下不同循环过程中滞回环面积及塑性应变增量，如表1所示。

2.2 耗散能与加载速率关系

根据表1数据可得不同应变速率下循环次数与耗散能关系，如图3。由图3可知，在较低应变速率下(10-5/s、5×10-5/s)，循环加卸载过程中单位体积耗散能随循环次数的增加呈现先增加后减小的规律。高应变速率下，试件表现出明显的脆性，试件破坏前所经历的总循环次数较少，耗散能在试件破坏前达到最大值，曲线中不呈现下降段。由曲线斜率的变化可知，耗散能达到最大值前的2～3次循环中，数值增加幅度呈降低趋势。在循环次数一定的情况下，耗散能随应变速率的增大呈现小幅度增加的趋势。

表1 试件在不同应变速率下的单位体积耗散能及塑性应变增量Tab.1 Unit volume dissipation Energy and plastic strain increment of specimens at different strain rates

注：表中单位体积耗散能单位为：10-3J/mm3。

图3 不同应变速率下加卸载循环次数与耗散能关系图Fig.3 Diagram with the number of unloading cycles and dissipation energy at different strain rates

2.3 耗散能与塑性应变关系

通过表1数据，可绘制不同应变速率下试件在循环加卸载过程中耗散能与塑性应变增量随循环次数之间的关系图，如图4。

图4 不同应变速率下耗散能与塑性应变关系图 Fig.4 Diagram of dissipation energy and plastic strain at different strain rates

从图4中可知，在不同应变速率下混凝土每次加卸载都会产生新的塑性应变，塑性应变增量随循环次数的增加变化幅度不明显。当耗散能达到最大时，单次循环所产生的塑性应变并不会明显增加，甚至会出现相比前一次减小的情况。由此表明，在混凝土循环加卸载过程中塑性应变随耗散能的增大并不会显著增大，随耗散能的减小也不会明显减小，两者不存在显著的相关性。根据能量守恒原理，加载装置对混凝土试件所做的功一部分引起混凝土的塑性变形，另外一部分能量则被耗散掉了。其中，不断新增的塑性应变导致混凝土由最初原生裂纹被压密发展到产生裂纹至最终因裂纹贯通而破坏。通过比较岩石在循环加卸载过程中的能量耗散研究成果[4,6]可以发现，混凝土材料在循环加卸载过程中产生的能量耗散明显大于岩石类材料。对比两类材料可知，混凝土作为一种人工复合材料，其内部微孔隙和原生裂纹明显多于一般岩石类材料，在加载的初期阶段，耗散能主要为压密原生裂纹所做的功，其后密实的混凝土在加载过程中不断产生裂纹、裂缝，耗散能在该过程中主要因为能量辐射而散失，如裂纹的产生激发声发射、不同结构单元相互摩擦产生热能辐射。对比试件最终破坏形态(如图5)可知，应变速率越低，试件内部裂纹越多，破坏后的试件所产生小碎残渣也越多，且结构面间存在着更多粉末状残留物。该现象说明加载速率越低结构面摩擦越频繁，整个加卸载历程中总耗散能也越大，同时总耗散能与试件破坏程度密切相关，即总耗散能越大试件破坏程度越高。

图5 不同加载速率下试件的破坏形态Fig.5 Failure patterns of specimens at different loading rates

2.4 累计塑性应变与加载速率关系

根据表1中塑性应变增量与循环次数数据可绘制不同应变速率下混凝土累计塑性应变随加载次数的关系图，如图6。

图6 累计塑性应变与加载速率关系图Fig.6 Diagram of cumulative plastic strain and loading rate

由表1及图6可得，存在能量耗散的应力应变曲线段内，应变速率为10-5/s、5×10-5/s 、10-4/s、10-3/s下试件累计塑性应变分别达25.63×10-3、11.65×10-3、7.04×10-3、4.79×10-3，随着加载速率的提高，混凝土累计塑性应变呈显著降低的特征，混凝土表现出显著的脆性。不同加载速率下累计塑性应变曲线几乎呈线性式重合，表明在加载历程中混凝土塑性应变几乎都以恒定幅度增加，且混凝土塑性应变的增加与加载速率无关。

3 结 语

(1)准确有效地统计混凝土在循环加卸载应力-应变曲线中滞回环面积及塑性应变等数据是研究混凝土在反复荷载下特性的重要前提，通过数据转换接AutoCAD软件能很好地实现这一目标。

(2)在循环次数一定的情况下混凝土耗散能随应变速率的增加而增大，耗散能与加载速率之间存在正相关性，即率效应；耗散能增加到最大之前的增幅逐渐减小，低应变速率下耗散能随循环次数的增加呈先增加后减小的规律；混凝土破坏程度与耗散能密切相关，耗散能越大试件破坏时呈现的结构面越多，破坏程度越显著。

(3)在整个循环加卸载过程中混凝土的塑性应变增量较为稳定，与耗散能不呈现明显的正相关性，二者之间无显著的率效应。

(4)混凝土在整个加载历程中塑性应变几乎均匀增加，且与加载速率无关；塑性应变增量与耗散能的大小无明显相关性。