应变速率效应对钢筋混凝土构件动力特性影响研究

摘要

混凝土材料是典型的率敏感材料，不同应变速率下其强度、延性和破坏模式都有明显的改变。土木工程中的各种混凝土结构除了承受静荷载外，不可避免的会遭遇到动荷载的作用。欧洲混凝土协会CEB在总结多数试验成果的基础上，规定了一个准静态应变率，推荐了不同动态应变率下混凝土材料的抗压强度、峰值应变、弹性模量相对于准静态应变率下的提高系数。由此针对一定的应变速率范围来彻底研究混凝土材料的本构关系和破坏机理是非常有必要的。
　　本文首先以简支梁为例对梁式构件的材料振型动弹模做了试验研究，推导了梁式构件三点弯曲振动时材料动弹性模量和跨中截面应变率的表达式，通过三点弯曲梁式材料测试装置对钢筋混凝土梁与素混凝土梁的动态弹性模量进行了测试，试验结果表明随着跨中应变率的增长两组梁的动弹模都有不同幅度的提高，并通过试验结果拟合出了考虑应变率效应的混凝土弹性模量提高系数的表达式。
　　考虑到地震荷载作用下混凝土结构响应的特点，在10-5/s~10-2/s应变率范围内，对比研究了混凝土柱和受硫酸钠侵蚀混凝土柱的应变率效应。系统分析了应变率效应对混凝土抗压强度、弹性模量、峰值应变、吸能能力以及破坏机理的影响。试验结果表明在不同应变速率下未腐蚀及腐蚀混凝土材料的强度、峰值应变及吸能能力等特性都随着应变率的增长而显著提高，弹性模量没有发生明显变化，并且腐蚀混凝土柱的以上特性在不同应变速率时都低于相应的未腐蚀混凝土柱的特性。同时对不同应变速率下混凝土的应力—应变曲线关系进行了探索，在已有静力本构模型的基础上对其进行修正并引入应变速率的影响，使之成为动态本构模型。
　　利用以上表达式并结合构件截面的分层纤维截面模型，对钢筋混凝土梁、柱构件在不同应变速率下的弯矩-曲率、屈服弯矩、屈服曲率、极限弯矩、极限曲率、延性等特性进行了数值分析。分析结果表明在不同应变速率下以上特性都发生了显著变化。