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《北京工业大学》 2012年
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不同应变率下混凝土力学性能的试验研究

张玉敏  
【摘要】:由于混凝土是应变速率敏感性材料,随着应变速率的增加混凝土表现出与静态下不同的力学特性和破坏形态。混凝土结构在地震、撞击和爆炸等动力作用下进行的结构分析时,若不考虑应变速率的影响会带来较大的误差。目前的动态试验成果似乎很多,但由于试验设备、方法、试件种类以及加载速率与方式各异,结果离散性很大,C30以上混凝土动态性能的试验资料不足,至今国内尚没有对从低强到高强,涵盖大部分常用混凝土强度等级的系统动态试验,很难建立起合理有效的考虑应变速率的单轴压缩本构关系。 为克服现有试验装置不能满足在有限加载能力下获得多种混凝土强度等级的单轴压缩试验应力应变全曲线的要求,采用自行设计的碟形弹簧附加钢架装置并配合MTS电液伺服作动器,制成可进行快速加载的单轴受压应力应变全曲线试验装置,进行涵盖大部分常用混凝土强度等级(C25~C60)的应变速率为10-5~10-1/s的系统动态试验,共包括184个采用试模制作的棱柱体混凝土压缩试件,120个采用切割方式制作的棱柱体混凝土压缩试件。研究不同制作方法不同加载速率对不同强度混凝土的单轴抗压强度,峰值应变,弹性模量,泊松比,和应力—应变全曲线的影响规律。试验结果表明,从最低速率10-5/s到最高速率10-1/s之间,峰值应力大致提高22%~28%,其对应的应变提高23%~39%;初始弹性模量和泊松比变化不大。采用了新的切割混凝土试件降低了试验数据的离散性。 应用基于试验得到的动态参数修正了混凝土规范及有限元软件ADINA的混凝土单轴本构关系,使其可以应用到动态分析中,并在此基础上进行了单轴受压短柱的有限元分析;构建钢筋混凝土构件的考虑应变速率影响的M φ曲线,分析了钢筋混凝土梁在不同加载速率下的承载力特性。分析结果表明:位移加载(对应于液压设备)较应力加载(对应于落锤系统)所得数据更加真实可靠,应变速率超过10之后混凝土强度的增长幅度加大;随着应变速率的增加梁的弯矩—曲率曲线总体呈现上升趋势;钢筋混凝土梁承载力随加载速率提高,拱效应开展的更加充分。 针对目前我国FRP约束混凝土的研究工作主要集中在圆柱及其静态力学性能上,尚没有针对方柱的在不同应变率下的动态试验的特点,对84个碳纤维布约束混凝土在不同应变速率下进行了单轴受压试验研究及理论分析,研究不同包裹层数,不同混凝土强度,不同应变速率对CFRP约束混凝土的轴向应力应变关系,横向应力应变关系、弹性模量、泊松比以及碳纤维应力应变关系的影响。试验结果表明:不同应变率下的应力应变曲线的形状大致相同,加载速率每加大10倍, CFRP约束混凝土的抗压强度约上升8~15%,峰值应变和弹性模量则略有增长。约束混凝土的率敏感性比无约束素混凝土更强。应用基于试验得到的动静态参数构建了约束混凝土轴向应力应变关系。 对六根钢筋混凝土框架梁模型进行了不同加载速率下(加载时间为3s,5s,10s,100s,1000s,3600s)的试验研究。对比分析了不同加载速率下钢筋混凝土框架梁的极限承载力和轴向作用力的变化及钢筋混凝土框架梁支座约束弯矩的变化,通过研究钢筋混凝土框架梁的P/PJ~δ/h曲线, ε~δ/h曲线,M o~δ/h曲线及Pu/PJ与加载速率的关系曲线,证实框架梁中存在着拱效应和索效应,使其承载能力有了显著的提高。加载速率越大,拱效应越大。 为研究框架梁在其支撑柱遭到突然破坏之后的反应及其性能,进行了9根钢筋混凝土框架梁在突加荷载(加载时间小于0.01s)下的试验,试件分别按“常规抗震设计”、“强剪弱弯”和“强弯弱剪”设计,重点研究框架梁在突加荷载作用下的破坏形态和动力响应,以及“拱效应”对框架梁的弯、剪承载力的影响。并依据试验结果提出考虑“拱效应”影响的承载力计算方法。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TU528

【参考文献】
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