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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 加載頻率對混凝土力學(xué)性能的影響研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡介：
- 基于 INSTRON電液伺服試驗(yàn)機(jī) ,通過不同的加載頻率 ,完成了應(yīng)變率由三個數(shù)量級范圍內(nèi)的混凝土準(zhǔn)動態(tài)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載頻率越高，混凝土抗拉強(qiáng)度越大，斷裂面越平整；隨著加載頻率的增加，試件達(dá)到峰值載荷時的平均應(yīng)變頻率逐漸增大，對應(yīng)的破壞時間也相應(yīng)縮短；劈裂試驗(yàn)適合本試驗(yàn)。本項(xiàng)研究拓展了中應(yīng)變頻率的實(shí)驗(yàn)范圍，為材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
- 詳細(xì)介紹：
- 混凝土是一種脆性材料，在受拉時很小的變形就要開裂，并且在斷裂前沒有殘余變形。事實(shí)上，由于各建筑物的高度、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)材料的不同，導(dǎo)致在受到不確定因素（如地震）的影響時，建筑物中某一部分產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力往往是最關(guān)鍵的部分，可見，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度對抗開裂性有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)，有時用它來間接衡量混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。因此，研究混凝土在各種動態(tài)加載條件下的應(yīng)變率效應(yīng)，特別是中應(yīng)變率下的動力學(xué)響應(yīng)，對于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評價都具有重要的理論與工程意義。 本課題的研究目標(biāo)是加載速率對于混凝土力學(xué)性能的影響，但加載速率不僅與參數(shù)設(shè)置中的加載頻率有關(guān)，也與加載波形有關(guān)。對于加載波形，本課題組的指導(dǎo)老師肖建清提出了平均速率的概念，詳細(xì)地進(jìn)行了理論推導(dǎo)。由于本課題中統(tǒng)一采用正弦波進(jìn)行加載，使用平均速率并不方便，考慮到加載頻率與加載速度亦具有正相關(guān)性，所以論文的題目便直接用的加載頻率，而非加載速率。 根據(jù)INSTRON電液伺服試驗(yàn)機(jī)的測試能力，擬采用0.1Hz, 0.5 Hz ,1 Hz, 1.5 Hz ,2 Hz五種不同加載頻率，各一種加載頻率準(zhǔn)備3個混凝土試樣，共計(jì)15個試樣。為了保證混凝土的力學(xué)性能不受其它因素的影響，試樣取自于同一批次的混凝土，養(yǎng)護(hù)條件相同，盡量減少個體之間的差異性。 在試驗(yàn)中，以三個試件的測量的平均值作為該混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值，三個試件中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差超過該中間值的15%，則把最大及最小值一并舍去，取中間值作為該混凝土的抗壓強(qiáng)度值。如有兩個測值與中間值之差超過15%，則此試驗(yàn)作廢。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以150×150×150mm立方體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，采用100×100×100mm試件時，應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85。 為測量動載作用下混凝土的橫向變應(yīng)，應(yīng)在處理后的表面的中心處垂直加載向貼一片應(yīng)變片。實(shí)驗(yàn)選用65㎜×10㎜紙基應(yīng)變片，用502膠將其牢固粘貼在處理過的試件面。 實(shí)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定：墊層用木質(zhì)三合板，寬為15-20mm，厚為3-4mm，長度應(yīng)超試件，墊層使用一次后不得重復(fù)使用。本實(shí)驗(yàn)選用的墊層尺寸為：寬12-14mm，厚4mm。 試驗(yàn)采用荷載控制方式，操作步驟如下： ①將試件放在試驗(yàn)機(jī)振動器的工作平臺上 ,上部放置一塊大于劈條的鋼墊片 ;②試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 :加載波形為正弦波 ,周期數(shù) 1,幅值設(shè)置要超過試件的估計(jì)強(qiáng)度值 ,本試驗(yàn)幅值設(shè)置為 100 KN。接著選擇加載頻率和數(shù)據(jù)采樣頻率 ,因?yàn)槭莿討B(tài)實(shí)驗(yàn) ,采樣頻率為 1 kHz。最后設(shè)置極限保護(hù)以保障設(shè)備安全 ； ③調(diào)試應(yīng)變儀，調(diào)試好后打開記錄應(yīng)變信號。④輸入動態(tài)加載指令，控制INSTRON將試件一次性壓壞。 由于試樣制備的過程中就已經(jīng)形成了微裂隙，加載初期，由于原生裂紋的閉合，荷載時間曲線上凹。過了閉合段后，曲線近似為直線，這是彈性階段，當(dāng)然這階段似乎并不明顯，可見在加載過程中混凝土中的裂紋一直有萌生及擴(kuò)展情況的存在。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至貫通后，混凝土試樣發(fā)生破壞，劈拉破壞時，不論加載頻率如何，都表現(xiàn)為非常明顯的脆性破壞。隨著加載頻率的增大，脆性破壞的現(xiàn)象越為顯著。 研究混凝土類材料中應(yīng)變率下的力學(xué)性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。如何實(shí)現(xiàn)介于10-41/s～10-11/s的中應(yīng)變頻率段便是對試驗(yàn)技術(shù)提出的新難題。本文完成了不同加載頻率條件下混凝土的劈裂試驗(yàn) ,系統(tǒng)地研究了加載頻率對混凝土力學(xué)性能的影響 。試驗(yàn)結(jié)果表明： （1）混凝土試樣劈拉破壞，不論加載速率如何，都是脆性破壞，隨加載速率的增加脆性斷裂的現(xiàn)象更為明顯。 （2）混凝土試樣的抗拉強(qiáng)度隨著加載頻率的增大而增大，加載頻率從0.1Hz提高到2Hz，平均抗拉強(qiáng)度增加了約14%，而且加載頻率越高，試樣的斷裂面越平整。 （3）隨著加載頻率的增加，試件達(dá)到峰值載荷時的平均應(yīng)變率逐漸增大，對應(yīng)的破壞時間也相應(yīng)縮短。加載頻率從0.1Hz提高到2Hz，平均應(yīng)變速率顯著地提高了2個數(shù)量級。 （4）劈裂試驗(yàn)比單軸壓縮、單軸拉伸試驗(yàn)更適合于材料的動態(tài)力學(xué)性能分析。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 動載下混凝土的性能分析通常有兩種最基本的動力學(xué)效應(yīng)：慣性效應(yīng)（或應(yīng)力波效應(yīng)）和材料的應(yīng)變率效應(yīng)。研究混凝土在各種動態(tài)加載條件下的應(yīng)變率效應(yīng)，特別是中應(yīng)變率下的動力學(xué)響應(yīng)，對于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評價都具有重要的理論與工程意義。 基本思路采用： 理論分析——力學(xué)試驗(yàn)——結(jié)果分析—— 回歸分析 制備試件—— 分組實(shí)驗(yàn)——得出數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)分析。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 作品的選題來自于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（《中應(yīng)變率段巖石動態(tài)本構(gòu)關(guān)系與累積損傷實(shí)驗(yàn)研究》，編號：10472134），而中等應(yīng)變速率的實(shí)現(xiàn)是其核心內(nèi)容。故而，作品的選題針對的是實(shí)際的科學(xué)問題，在國內(nèi)鮮有相關(guān)的報(bào)導(dǎo)，具有顯著的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本課題研究中應(yīng)變率下混凝土力學(xué)性能的應(yīng)變率相關(guān)性及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以為混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)、混凝土結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性以及混凝土結(jié)構(gòu)的動態(tài)安全評估提供一個重要的理論依據(jù)。引入了平均加載頻率的概念，最終確定混凝土的變化規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)技術(shù)上突破中應(yīng)變率范圍的一二個量級，使其更接近于動態(tài)，這對于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評價都具有重要的理論與工程意義！
學(xué)術(shù)論文摘要
- 混凝土是一種脆性材料，在受拉時很小的變形就要開裂，并且在斷裂前沒有殘余變形。事實(shí)上，由于各建筑物的高度、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)材料的不同，導(dǎo)致在受到不確定因素（如地震）的影響時，建筑物中某一部分產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力往往是關(guān)鍵的部分，可見，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度對抗開裂性有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)，有時用它來間接衡量混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。因此，研究混凝土在各種動態(tài)加載條件下的應(yīng)變率效應(yīng)，特別是中應(yīng)變率下的動力學(xué)響應(yīng)，對于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評價都具有重要的理論與工程意義。 本課題基于 INSTRON電液伺服試驗(yàn)機(jī) ,通過不同的加載頻率 ,完成了應(yīng)變率由 10-41/s～10-21/s 三個數(shù)量級范圍內(nèi)的混凝土準(zhǔn)動態(tài)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載頻率越高，混凝土抗拉輕度越大，斷裂面越平整；隨著加載頻率的增加，試件達(dá)到峰值載荷時的平均應(yīng)變頻率逐漸增大，對應(yīng)的破壞時間也相應(yīng)縮短；劈裂試驗(yàn)比單軸壓縮、單軸拉伸試驗(yàn)更適合于材料的動態(tài)性能分析。本項(xiàng)研究拓展了中應(yīng)變頻率的實(shí)驗(yàn)范圍，為材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
獲獎情況
- 2011年安陽師范學(xué)院挑戰(zhàn)杯二等獎 2010年建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)科研團(tuán)隊(duì)二等獎
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- [1] 肖建清. 混凝土準(zhǔn)動態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].長沙:中南大學(xué), 2005. [2] 姜福田. 混凝土力學(xué)性能與測定[M].北京:中國鐵道出版社,1989. [3] 吳綿拔. 加載頻率對巖石抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),1982,(2): 97-105. [4] 張學(xué)峰,夏源明. 中應(yīng)變率材料試驗(yàn)機(jī)的研制[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué),2001,(1):13-18. [5] Henny D.L. A theory of fatigue damage accumulation in steel[C].Trans AS ME, 1955,77: 913～918. [6] Cortan H.T, Dolan T.L. Cumulative fatigue damage. Proceed of the Inter[C]. Confer. on Fatigue of Metals. IME and ASME, 1956. [7] 龔洛書.混凝土實(shí)用手冊（第二版）[M].中國建筑出版社,1995. [8] 馬春德. 一維動靜組合加載下巖石力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長沙:中南大學(xué), 2003. [9] 羅章. 中等應(yīng)變下鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系研究[D]. 長沙:中南大學(xué), 2004.
同類課題研究水平概述
- 近年來，美國Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室和Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室對中應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī)技術(shù)及在中應(yīng)變率下材料的力學(xué)行為等進(jìn)行了一些研究，但他們的工作尚在進(jìn)一步完善之中。國內(nèi)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)夏源明教授也開始了這方面的研究工作，他們已初步研制出技術(shù)指標(biāo)為10-1/s～5*101/s 的中應(yīng)變率材料試驗(yàn)機(jī)。據(jù)介紹他們的裝置通過液壓驅(qū)動、緩沖撞擊加載、分級調(diào)速等技術(shù)產(chǎn)生了平穩(wěn)、陡峭的中應(yīng)變加載脈沖中，滿足應(yīng)變率上升時間小于試件彈性變形時間的要求，但有待進(jìn)一步的調(diào)試改進(jìn)，目前也未見有混凝土材料在他們的新實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行相關(guān)測試的報(bào)道。總的來說，研究材料在10-1/s～101/s應(yīng)變范圍內(nèi)的力學(xué)性能的中應(yīng)變率試驗(yàn)技術(shù)和中應(yīng)變率試驗(yàn)裝置則遠(yuǎn)未成熟（張學(xué)鋒，夏源明，2001）。 在試驗(yàn)技術(shù)方面，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了許多大膽的嘗試。大連理工大學(xué)的黃承逵、趙國藩等在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，提出了不同加載速率對混凝土的抗拉強(qiáng)度、受拉彈性模量、泊松比、峰值應(yīng)變和應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線的影響規(guī)律，其應(yīng)變速率的研究范圍介于10-5～10-2量級之間。中南大學(xué)的馬春德、羅章等也進(jìn)行了中應(yīng)變率下巖石和混凝土抗壓、抗拉以及抗折的試驗(yàn)，其應(yīng)變速率的范圍已經(jīng)達(dá)到了10-5～10-1量級。中國科技大學(xué)的王道榮以及中國工程物理研究院的胡時勝，在混凝土材料大尺寸Hopkinson壓干試驗(yàn)中，采用一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)對其實(shí)施了損傷“凍結(jié)”實(shí)驗(yàn)，也可以達(dá)到中等應(yīng)變速率。因此，在中等應(yīng)變速率中若想突破一兩個量級都是一件非常困難的事情。從目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，實(shí)現(xiàn)中等應(yīng)變速率加載的裝置仍處于研發(fā)中，而對于中等應(yīng)變速率下材料的力學(xué)性能研究更是稀少，所以說，若是能基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，通過設(shè)備的改造或某種特殊的試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)中等應(yīng)變速率的量級有所突破，這無疑是一項(xiàng)意義重大的工作。
