全级配混凝土梁在不同预静载作用下动态弯拉强度的影响研究

韩 浏 （南京建工集团有限公司，江苏 南京 210000）

当前，研究者已经开展了大量静载作用下混凝土动态强度的研究[1-6]，部分研究者开展了预静载作用下混凝土的力学性能研究，马怀发等[7]人认为预静载作用下混凝土的动弯拉强度与混凝土内部细观结构不均匀性密切相关，不均匀性越强，动载增强系数越大；田瑞俊等[8]人对比分析了三级配和四级配混凝土梁在预静载作用下的力学性能，认为四级配混凝土梁的极限荷载高于三级配混凝土梁,但抗弯强度低于三级配混凝土。然而，针对静载作用下全级配混凝土梁的动弯拉强度研究依然相对欠缺。基于此，本研究利用数值仿真方法开展了不同类型全级配混凝土梁（三级配混凝土及四级配混凝土）在不同类型预静载作用下（纯静载、30%预静载+动载、60%预静载+动载）的动弯拉强度试验。以期分析多受力状态下混凝土的力学响应，揭示全级配混凝土在静载作用下的破坏机理，对于研发高性能全级配混凝土具有十分重要的意义。

1 试验分析

1.1 试验材料

试验材料包括粗骨料、粉煤灰、细砂、水泥、水、减水剂。其中，粗集料类型为石灰岩碎石，三级配的最大粒径为80mm，四级配的最大粒径为120mm；细集料为机制砂，表观密度为2.36g/cm3；粉煤灰等级为Ⅱ级，含水量为0.18%；水泥为42.5 等级的硅酸盐水泥；减水剂为高性能减水剂，固含量不超过40%。严格按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[9]中规定的步骤进行混凝土的配合比设计及试件的制备。

1.2 动态弯拉性能测试方法

采用的动态弯拉性能测试方法为简支梁三分点加荷法，静态加载速率为0.25kN/s，动态加载速率同样为0.25kN/s。按照规范中GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[10]规定的测试方法及计算步骤进行混凝土动弯拉强度的测试。

1.3 试验结果

根据上述测试方法，分别获取三级配及四级配混凝土不同加载条件下的弯拉强度及提升率，如图1 所示。根据图1（a）可知，整体上，随着预静载作用的增加，无论是三级配混凝土还是四级配混凝土，其弯拉强度均有所增加。根据图1（b）可知，对三级配混凝土与纯静载作用条件相比，无初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到10.5%；预加30%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到23.8%；预加60%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到30.7%。对四级配混凝土与纯静载作用条件相比，无初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到13.6%；预加30%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到16%；预加60%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到24.3%。即在本研究的测试条件下，全级配混凝土的动态抗弯强度与初始静载比例呈现正相关的关系。

图1 不同加载条件下的动弯拉性能

2 模拟分析

由于上述试验存在一定的局限性，仅为某一条件下的结论，难以确定为规律性结论，因此，本文利用仿真模拟法开展了不同预静载作用下全级配混凝土梁动态性能的模拟分析。

2.1 模型建立

基于上述试验采用的试件建立三级配及四级配混凝土梁的仿真模型，其中三级配混凝土梁的结构尺寸为400mm×1000mm；四级配混凝土梁的结构尺寸为450mm×1500mm。

对三级配混凝土梁，取跨中的400mm×400mm为细观剖分区域，对于四级配混凝土梁而言，取跨中的450mm×450mm 为细观剖分区域。采用蒙特卡罗方法进行随机骨料的生成，将整体结构分为水泥砂浆、粘结带、骨料三相，不同相的参数如表1所示，采用动态损伤本构模型获取不同相材料的参数。基于此，利用有限元软件建立三级配及四级配混凝土梁的结构仿真模型。

表1 材料参数

模拟仿真的过程中，先进行静态加载，然后进行预静载为0%、30%、60%极限弯拉强度的基础上施加冲击荷载。加载过程中采用位移控制，加载速率为0.4mm/s，步长为0.005s；阻尼采用瑞利阻尼，对于三级配混凝土梁，阻尼系数为95.3和1.7×10-5；对于四级配混凝土梁，阻尼系数为209.4和7.9×10-6。

2.2 仿真结果

2.2.1 三级配混凝土动态弯拉性能模拟结果

根据上述条件建立的模型及加载方法，获取三级配混凝土梁的动态弯拉性能如图2所示。其中，图2（a）为不同加载条件下三级配混凝土梁的弯曲应力-应变曲线，从图中可以看出，整体上，所有加载条件下的应力-应变曲线呈现先线性增加后下降的趋势，且达到相同的应变，随着预加载比例的增加，混凝土梁所需的应力值增加，即其动态弯拉强度增加，且应力-应变曲线发生拐点的位置也随着预加载比例的增加而朝应变方向移动，即应力增加速率开始增加[11-12]。从图2（b）中可以，基于仿真结果，与纯静载作用条件相比，无初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到15%；预加30%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到21%；预加60%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到27%。

图2 三级配混凝土不同加载条件下的模拟结果

2.2.2 四级配混凝土动态弯拉性能模拟结果

根据上述条件建立的模型及加载方法，获取四级配混凝土梁的动态弯拉性能如图3所示。其中图3（a）为不同加载条件下四级配混凝土梁的弯曲应力-应变曲线，从图中可以看出，整体上，所有加载条件下的应力-应变曲线呈现先线性增加后下降的趋势，且达到相同的应变，随着预加载比例的增加，混凝土梁所需的应力值增加，即其动态弯拉强度增加，且应力-应变曲线发生拐点的位置也随着预加载比例的增加而朝应变方向移动，即应力增加速率开始增加[13-15]。根据图3（b）可知，基于仿真结果，与纯静载作用条件相比，无初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到18%；预加30%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到21%；预加60%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到24%。

图3 四级配混凝土不同加载条件下的模拟结果

2.2.3 模拟提升率与测试提升率对比

为对比本研究中模拟及测试结果，将试验条件下的全级配混凝土不同加载条件下的动弯拉强度提升率测试值与仿真条件下的全级配混凝土不同加载条件下的动弯拉强度提升率模拟值绘制到一起，如图4 所示。根据图4可知，动弯拉强度提升率的模拟值与实测值近似统一，验证了本文所建模型的准确性。

图4 全级配混凝土不同加载条件下的动拉强度提升率模拟及测试结果对比

3 结语

（1）整体上随着预静载作用的增加，无论是三级配混凝土还是四级配混凝土，其弯拉强度均有所增加。

（2）试验条件下，对于三级配混凝土而言，与纯静载作用条件相比，无初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到10.5%；预加30%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到23.8%；预加60%初始静载的三级配混凝土动态抗弯强度增幅达到30.7%。

（3）试验条件下，对于四级配混凝土而言，与纯静载作用条件相比，无初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到13.6%；预加30%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到16%；预加60%初始静载的四级配混凝土动态抗弯强度增幅达到24.3%。即在本文的测试条件下，全级配混凝土的动态抗弯强度与初始静载比例呈现正相关的关系。

（4）对于所有类型的全级配混凝土，所有加载条件下的应力-应变曲线呈现先线性增加后下降的趋势；随着预加载比例的增加，混凝土梁所需的应力值增加，即其动态弯拉强度增加，且应力-应变曲线发生拐点的位置也随着预加载比例的增加而朝应变方向移动，即应力增加速率开始增加。

（5）动弯拉强度提升率的模拟值与实测值存在一致性，验证了本文所建模型的准确性。