混凝土/钢纤维混凝土双轴动态抗压性能研究

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混凝土结构除承受静态荷载作用之外,往往还要承受如风荷载、地震和冲击荷载等动态作用。在混凝土的多轴动态性能研究中,对冲击荷载下混凝土的性能研究比较多,地震作用下的性能研究比较少,因此开展混凝土在地震作用应变速率范围内的多轴性能研究具有重要意义。钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete,简称SFRC)作为一种新型工程复合材料,由于其良好的物理力学性能,如高延性、强韧性和抗爆性等,已广泛的应用于高速公路、防护结构及机场跑道等领域。目前,对于SFRC在静态荷载以及冲击荷载下力学性能的研究比较多,但是对于其在地震作用下的性能研究较少,并且钢纤维的类型和掺量等对SFRC的力学性能有着很大影响,因此,进行不同钢纤维掺量混凝土在地震作用应变速率和不同应力比下的双轴抗压试验,建立钢纤维混凝土的多轴动态强度准则,对钢纤维混凝土结构的抗震设计和多轴动力非线性分析具有重要的理论意义和实用价值。本文利用大连理工大学研制的大型静动三轴试验系统完成了4种钢纤维掺量(0%、1%、2%、3%)混凝土在4种应变速率(10-5/s、lO-4/s、10-3/s、10-2/s)、5种应力比(1:0、1:0.25、1:0.5、1:0.75、1:1)下的双轴动态抗压试验,分析了钢纤维混凝土在不同应变速率、应力比和钢纤维掺量下的强度特性、变形性能和应力-应变关系,并建立了八面体空间破坏准则。具体内容和结论如下。(1)基于Ottosen静态强度准则,结合大量不同强度等级混凝土多轴静、动强度试验结果,建立了一种考虑应变速率效应和混凝土强度等级两个因素的混凝土多轴动态强度准则,分析表明该强度准则符合混凝土破坏曲面连续、光滑、外凸等要求,能较好地反映普通混凝土的多轴动态强度变化规律。(2)开展了应变速率范围为10-5/s~10-2/s的钢纤维混凝土单轴抗压强度试验,研究了单轴应力状态下不同钢纤维掺量SFRC在不同应变速率时的强度特性、变形性能和破坏形态,分析了钢纤维掺量、应变速率等对强度增长因子的影响规律。混凝土抗压强度随应变速率的增加而提高,钢纤维掺量为3%时的混凝土的强度增长因子最大;。(3)通过试验获得了不同应变速率下混凝土的双轴抗压破坏形态和应力-应变曲线,研究了应变速率、应力比、钢纤维掺量对混凝土抗压强度、临界应变、弹性模量、应力-应变关系曲线、压缩韧度指数等的影响规律。混凝土强度随着应变速率的增大而增大;混凝土强度随着应力比先增大有减小,应力比为1:0.5时强度最大;素混凝土的压缩韧度指数随着应变速率的增加而增加;当钢纤维掺量为2%和3%时,混凝土压缩韧度指数随应变速率的提高而减小;随着应变速率的增加,钢纤维对混凝土的韧性增强能力在逐渐减弱。(4)综合试验数据,建立了考虑应力比、应变速率与钢纤维掺量的混凝土双轴压动态强度准则。
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