加载速率对拟静力试验的影响.docx

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加载速率对拟静力试验结果的影响

摘要：

静力试验是目前结构试验中最普遍和最常见的方法之一。

静力试验中的加载速度直接关系到实验结果的准确性和实验的时间成本。

因此，选取合适的加载速率，既能得到准确的实验结果，又能提高实验效率，节省时间成本。

本文讨论了加载速率对实验结果的影响，为试验中选择合理和加载速度提供了参考。

一、静力试验的意义和优势

由于土木工程涵盖的专业领域很宽，土木工程的荷载种类很多。

如结构自重，土的自重，风荷载，雪荷载，水压及流水压力，以及某些情况下产生的地震作用，温度作用等偶然何在和间接作用。

一般的，按照荷载的时间变异，将荷载分为永久作用——在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化值可以忽略、可变作用——在设计基准期内量值随时间的变化不可忽略、偶然作用——在设计基准期内可能出现，且量值可能很大的作用。

严格地讲，所有的荷载作用都是随时间的发展而变化的，例如混凝土在长时间工作时的碳化、剥落，钢结构构件的锈蚀等，都会改变结构的自重。

回填土的密度随着降雨的变化而变化。

但上述这些变化本身都很小，加之变化持续的时间很长，变化引起的结构的加速度极小，其加速度更是可以忽略不计。

荷载能否按静载处理的关键不在于结构是否具有动力特性，而在于是否使结构产生不可忽略的加速度。

结构拟静力试验是结构试验中最多，最常见的一种基本试验方法，因为绝大部分结构在工作中承受的是静力荷载。

在科技迅猛发展的今天，尽管各式各样的结构分析方法不断涌现，动载试验也被置于越来越突出的位置，但是静载试验在结构研究、设计和施工中仍然起着重要的作用。

大型振动台的出现，无疑给结构抗震提供了一个有效手段，但是振动台试验存在承载力小、试验费用高、技术复杂等弊病。

低周反复试验（拟静力试验）和计算机-电液伺服联机试验（拟动力试验）相比振动台试验，具有承载力大、技术简但、成本低廉等优势。

仍然在抗震试验中发挥着重要的作用。

二、加载速率对岩石力学性能的影响

吴玉山等[1]根据岩石在单轴压缩下取得的荷载-位移全过程,对岩石破坏后区力学性状进行了探讨。

随着应变率的增加,峰值强度也随之增大。

以大理岩情况为例,当应变率增加10倍,强度增加5-15%。

这一结果与日本西松裕一等人“应变率每增加10倍,强度增加75kg/cm”的结论大致相符。

但是,峰值强度前的变形量,随着应变率的增加,其变化不明显,均属同一数量级。

从该表可知,当应变率从10-7s/增加到10-4/s时,非弹性变形量减少了31%石左右。

这一趋势表明,随着应变率的增加,岩石越显脆性。

岩石到达峰值前的非弹性变形量,随着应变率的增加而减少。

据大理岩试件的统计,其数值如表1所示。

大理岩

花岗岩

角闪岩

图1不同加载速率下几种典型岩石的荷载-位移曲线

表1大理岩在不同应变速率加载下的强度和变形指标

岩性

应变速率

1/s

极限强度（MPa）

峰值变形

（mm）

塑性变形

大理岩

5.2*10-4

130.3

0.35

0.075

大理岩

5.2*10-5

115.0

0.315

0.080

大理岩

5.2*10-6

98.5

0.375

0.082

大理岩

5.2*10-7

94.2

0.30

0.110

王学斌[2]使用有限差分软件FLAC编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，模拟了加载速率对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。

加载速率较低及适中时，岩样发生单剪切破坏，剪切带倾角及宽度不受加载速率影响，应力-轴向应变曲线及应力与侧向应变曲线软化段的斜率不依赖于加载速率；高加载速率使岩样发生X型剪切破坏，两种曲线软化段较平缓；在相同的轴向应变时，高加载速率使剪切带长度降低。

随着加载速率的增加，岩样失稳破坏的前兆越来越明显，当加载速率较高时，前兆反而不明显，这是由于应力存在较大的波动，导致不正确地估计了应力峰值所对应的轴向应变。

在应变软化阶段，高加载速率使侧向应变与轴向应变曲线、泊松比与轴向应变曲线及体积应变与轴向应变曲线变平缓，也使体积应变与轴向应变曲线的峰值及对应的轴向应变增加。

三、加载速率对混凝土力学性能的影响

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。

1.1.加载速率对混凝土材料单轴性能的影响

张玉敏[3]通过对不同强度等级的模浇混凝土和切割混凝土在不同加载速率下的力学性能的实验研究，模制混凝土试验结果表明，随着应变速率的增加，单轴压缩状态下混凝土的抗压强度也随之增长，其中C20~C35混凝土增长范围为1~33%，C40~C60的增长范围为2~31%；峰值应变的趋势与抗压强度相同，其中C20~C35混凝土增长范围为0.6~19%，C40~C60的增长范围为0.7~23%；混凝土初始弹性模量和泊松比则受应变速率的影响很小，初始弹性模量大致在1.83~4.16×104N/mm2之间；泊松比在0.20上下波动且整体范围为0.08~0.26；动态和拟静态试验的应力应变曲线形状相似。

切割混凝土试验结果表明，峰值应力和峰值应力对应的应变随应变速率的增加有所提高，从最高速率10-1/s到最低速率10-5/之间，峰值应力的提高范围大致在22%~28%左右，其对应的应变提高范围大致在23%~39%左右；初始弹性模量各强度等级在各个应变速率下变化不大；峰值割线模量则基本随强度等级的增大而变大，应变速率则对峰值割线模量影响不大，对于极限模量，随着混凝土强度等级和应变速率的提高，则呈上升的趋势。

1.1加载速率对混凝土劈裂性能的影响

王海龙等[4]利用大型液压伺服试验机研究了不同加载速率下饱和混凝土与干燥混凝土的劈裂强度变化情况，试验研究表明：

在准静态加载时，与干燥的混凝土相比饱和混凝土的劈裂强度有所降低，随着加载速率的升高，饱和混凝土的的动态劈裂强度有较大的提高。

在快速加载条件下，与干燥的混凝土相比饱和混凝土的动力劈拉强度增高；增高的机理可以通过裂纹中自由水弯月面对裂纹面产生的有益拉应力以及高速加载条件下的Stefan效应来解释，而自由水的有益拉应力和Stefan效应对混凝土的影响程度与加载速度紧密相关，低速时自由水的有益拉应力占主要作用而高速加载时Stefan效应起到主导作用。

从断裂面上来看，快速加载时断面较为平整且有较多的石子发生断裂，由此可以看出在较高的加载速率下孔隙水对裂纹的有益拉力使得混凝土界面相的宏观强度相应提高，基体相的强度趋于均化，因此快速加载时饱和混凝土的基体相类似于高强混凝土，强度提高的较多。

1.2加载速率对混凝土和钢筋粘结性能的影响

张伟平等[5]通过３７个试件的偏心拉拔试验，实时采集加载过程中的粘结－滑移关系数据，分析了加载速率、保护层厚度、钢筋位置、箍筋和粘结长度等因素对破坏形态、粘结强度及相对滑移的影响。

研究结果表明：

随着加载速率的增大，混凝土抗拉强度提高且混凝土径向裂缝发展滞后，试件由混凝土劈裂破坏向钢筋拔出破坏转变，劈裂破坏试件的粘结强度提高；在相同加载速率下，随着保护层厚度的增大，试件也会由混凝土劈裂破坏向钢筋拔出破坏转变。

1.3加载速率对钢筋混凝土构件承载力的影响

曹闻博[6]对混凝土梁和柱进行了不同速率下的单调和低周反复加载，随着加载速率的提高，钢筋混凝土梁在单调加载下，其极限承载力能力得到提高，梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载与成很好的线性关系，位移延性系数有少量提高。

梁的能量耗散量是随着加载速率的增加而增加的，且增加的程度相对较大。

在本文试验的加载速率范围内，钢筋混凝土梁均发生弯曲破坏，但随着加载速率的提高，其裂缝分布愈加均匀。

随着加载速率的提高，钢筋混凝土柱在单调加载下，其极限承载力能力得到提高，柱的屈服荷载和极限荷载与成很好的线性关系，位移延性系数有降低。

能量耗散随着加载速率的增加而增加的。

四、加载速率对金属材料性能的影响

杨丽等[7]对30A钢进行了霍普金森压杆实验，绘制了30A钢在高应变率下（4×102/s）的压缩应力-应变曲线。

与静态下材料的屈服强度（σs≈430MPa）相比,可以看出,随着应变率的增加,材料的屈服强度升高,表现出明显的应变速率敏感效应。

静态或准静态加载的加载速率和变形速率比较低,因此可以忽略它对断裂过程带来的影响。

在高的加载和变形速率下,材料变形和断裂的性质发生了改变。

在弹性阶段,应力与应变的响应是以声速进行的,当变形速率低于材料的声速时,变形速率对材料的弹性变形性质没有影响,但在塑性变形阶段,塑性变形过程是比较缓慢的,为进行充分的塑性变形,需要较长的时间,当加载速率高时,变形速率超过了进行塑性变形所需的临界变形速率,则塑性变形过程受到了约束和限制,将使材料的屈服点升高,塑性有可能降低,变形硬化过程也受到影响,从而增加了材料的脆化倾向。

图230A钢在高加载速率下的应力-应变曲线

加载速率对材料的微观断裂机制也会产生影响,静态下材料的微观断裂机制为微孔聚集型;动态下材料的断裂表现为由延性韧窝形态向准解理形态转变。

参考文献

[1]吴玉山,林卓英.单轴压缩下岩石破坏后区力学特性的试验研究[J].岩土工程学报,1987,卷缺失

（1）:

23-31.

[2]王学滨.加载速度对岩样全部变形特征的影响[J].岩土力学,2008,卷缺失

（2）:

353-358.

[3]张玉敏.不同应变率下混凝土力学性能的试验研究[D].[出版地不详]:

北京工业大学,2012.

[4]王海龙,李庆斌.不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研究及强度变化机理[J].工程力学,2007,卷缺失

（2）:

105-109.

[5]张伟平,罗丹羽,陈辉,等.不同加载速率下钢筋与混凝土间粘结性能试验[J].中国公路学报,2014,卷缺失（12）:

58-64.

[6]曹闻博.不同加载速率下钢筋混凝土构件力学特性研究[D].[出版地不详]:

大连理工大学,2012.

[7]杨丽,张宝友,崔约贤,等.加载速率对30A钢断裂韧性的影响[J].兵器材料科学与工程,2003,卷缺失（5）:

51-53,56.