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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 加載頻率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 基于 INSTRON電液伺服試驗(yàn)機(jī) ,通過(guò)不同的加載頻率 ,完成了應(yīng)變率由三個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的混凝土準(zhǔn)動(dòng)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(shí)的平均應(yīng)變頻率逐漸增大，對(duì)應(yīng)的破壞時(shí)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(dòng)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(shí)很小的變形就要開裂，并且在斷裂前沒(méi)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(shí)，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(jiàn)，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度對(duì)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(shí)用它來(lái)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(dòng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)，對(duì)于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(cè)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(gè)混凝土試樣，共計(jì)15個(gè)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(gè)體之間的差異性。 在試驗(yàn)中，以三個(gè)試件的測(cè)量的平均值作為該混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值，三個(gè)試件中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差超過(guò)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(gè)測(cè)值與中間值之差超過(guò)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(shí)，應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85。 為測(cè)量動(dòng)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(guò)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(zhǎng)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(dòng)器的工作平臺(tái)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(guò)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?dòng)態(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(hào)。④輸入動(dòng)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(guò)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(shí)間曲線上凹。過(guò)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(jiàn)在加載過(guò)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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)的平均應(yīng)變率逐漸增大，對(duì)應(yīng)的破壞時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。 （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(dòng)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(dòng)載下混凝土的性能分析通常有兩種最基本的動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)，對(duì)于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(lái)自于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（《中應(yīng)變率段巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系與累積損傷實(shí)驗(yàn)研究》，編號(hào)：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(duì)的是實(shí)際的科學(xué)問(wèn)題，在國(guó)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(jià)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(dòng)態(tài)安全評(píng)估提供一個(gè)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(gè)量級(jí)，使其更接近于動(dòng)態(tài)，這對(duì)于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(shí)很小的變形就要開裂，并且在斷裂前沒(méi)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(shí)，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(jiàn)，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度對(duì)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(shí)用它來(lái)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(dòng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)，對(duì)于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(guò)不同的加載頻率 ,完成了應(yīng)變率由 10-41/s～10-21/s 三個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的混凝土準(zhǔn)動(dòng)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(shí)的平均應(yīng)變頻率逐漸增大，對(duì)應(yīng)的破壞時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jiǎng)情況
- 2011年安陽(yáng)師范學(xué)院挑戰(zhàn)杯二等獎(jiǎng) 2010年建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)科研團(tuán)隊(duì)二等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [1] 肖建清. 混凝土準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué), 2005. [2] 姜福田. 混凝土力學(xué)性能與測(cè)定[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1989. [3] 吳綿拔. 加載頻率對(duì)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(cè)（第二版）[M].中國(guó)建筑出版社,1995. [8] 馬春德. 一維動(dòng)靜組合加載下巖石力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)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(zhǎng)沙:中南大學(xué), 2004.
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)，美國(guó)Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(guó)內(nèi)的中國(guó)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(guò)液壓驅(qū)動(dòng)、緩沖撞擊加載、分級(jí)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(shí)間小于試件彈性變形時(shí)間的要求，但有待進(jìn)一步的調(diào)試改進(jìn)，目前也未見(jiàn)有混凝土材料在他們的新實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試的報(bào)道?？偟膩?lái)說(shuō)，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(guó)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(guó)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(duì)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)^(guò)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(jí)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(jí)。中國(guó)科技大學(xué)的王道榮以及中國(guó)工程物理研究院的胡時(shí)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(duì)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(gè)量級(jí)都是一件非常困難的事情。從目前國(guó)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(duì)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(shuō)，若是能基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)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(jí)有所突破，這無(wú)疑是一項(xiàng)意義重大的工作。
