混凝土动态性能分析

混凝土材料是一种应用极其广泛的建筑材料。在其工作过程中，除了承受静态荷载，包括蠕变荷载作用外，还要承受急剧变化的动荷载作用，例如地震作用、风荷载和爆炸对高层建筑的作用、动水压力对水坝的作用、海浪对海岸和海上采油平台的冲击、驳船对码头的撞击、车辆对道路设施的碰撞等，均会使混凝土以高于静态许多量级的应变速率变形。在不同性质的动态荷载作用下，混凝土表现出不同的特性。混凝土结构遭遇荷载作用所产生的应变速率变化范围很大。如图2.1所示，蠕变的应变率低于10－6/s，地震作用下结构的响应大概在10－3/s～10－2/s范围内变化，冲击荷载（碰撞）作用下应变率约为100/s～101/s的数量级，爆炸荷载作用下应变速率高达102/s以上。

图2.1　不同性质荷载的混凝土应变率分布范围

（Bischoff et al.，1991；Harris，2000）(www.xing528.com)

一般称混凝土材料的率敏感性为混凝土的动态特性，主要包括动载作用下混凝土的动态强度、动态弹性模量、峰值应变以及泊松比等。自Abrams（1917）发现混凝土抗压强度存在率敏感性以来，国内外学者基于普通混凝土并将其作为宏观均匀性材料对混凝土类材料动态力学特性作了大量研究工作。其研究成果主要集中在普通混凝土动态强度、变形特性、试验技术等方面。Bischoff等（1991）总结了从Abrams（1917）到Malvern和Ross（1985）的试验研究工作，给出了不同应变率下混凝土的动态抗压强度。Malvar等（1998）总结了大量混凝土动态抗拉强度试验成果。

近年来，国内学者对混凝土动态性能也作了大量研究工作。尚仁杰（1994）用液压伺服试验机进行了低周循环荷载作用的轴压和轴拉试验，研究了混凝土轴向拉伸全曲线、快速加载时混凝土轴向拉伸力学性能、快速压缩时混凝土力学性能、变形机理的试验以及试件尺寸及骨料粒径对混凝土动态抗拉强度的影响。此后，黄承逵、赵国藩等（1997），董毓利、谢和平等（1997），肖诗云、林皋等（2001，2002）分别利用电液伺服加载系统进行了不同应变率下混凝土受压、受拉试验研究。吕培印、宋玉普（2002）利用大型静、动三轴电液伺服试验系统进行了混凝土的动态压缩试验研究。闫东明（2006）对单向恒定压力和三向应力状态下混凝土动态抗压特性进行了试验研究。

总体上看，混凝土动态特性试验成果以单轴试验居多，多轴动力试验成果很少。对混凝土动态强度特性的研究较多，而对变形特性影响的研究成果较少，结论也很不一致。尽管不同试验者所得结论相差较大，但是混凝土强度和割线模量随应变率增加而提高，抗拉强度的率敏感性强于抗压强度，应变率效应受混凝土强度等级、湿度、初始静载、侧压等因素的影响已成为基本的共识。