圍壓作用下混凝土試件動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究

張睿

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院 江西贛州 341000）

針對(duì)地震頻發(fā)導(dǎo)致建筑物破壞引發(fā)人員傷亡的問題，眾多學(xué)者已經(jīng)開始重視試件動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的相關(guān)研究[1-8]。一些混凝土試件在正常工作時(shí)處于圍壓作用下，其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)。基于上述原因，本文開展不同圍壓工況下混凝土試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

混凝土試件選用直徑50mm，長(zhǎng)度50mm的圓柱形試件，密度2.44g/cm-3，單軸抗壓強(qiáng)度11.4MPa。實(shí)驗(yàn)裝置為動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)裝置，具體參數(shù)見文獻(xiàn)[9]。設(shè)置3MPa，9MPa，15MPa及21MPa共4種圍壓工況，沖頭的沖擊速度為（15±0.2）m/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 峰值應(yīng)力

在不同的圍壓工況下，用（15±0.2）m/s的沖擊速度撞擊，得到應(yīng)力波波形圖，進(jìn)而得到不同工況下的峰值應(yīng)力，如表1所示。

表1 不同工況下的峰值應(yīng)力匯總

峰值應(yīng)力可以從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)試件抵抗動(dòng)荷載的能力，峰值應(yīng)力越大，對(duì)應(yīng)試件抵抗動(dòng)載的能力越強(qiáng)。表1表示不同圍壓工況下的峰值應(yīng)力匯總表。由表1可知：試件的峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加逐漸增大；在試驗(yàn)的圍壓范圍內(nèi)，其與圍壓之間嚴(yán)格的符合線性增加的關(guān)系。混凝土試件作為一種類巖試件，與單軸壓縮試驗(yàn)相比，圍壓的存在會(huì)明顯的增加其抗壓強(qiáng)度，增大其抵抗變形的能力，且隨著圍壓的增加，其抗壓強(qiáng)度越大，抵抗變形的能力越強(qiáng)。無圍壓工況下，動(dòng)荷載作用于混凝土試件，其產(chǎn)生軸向變形及橫向變形，更容易發(fā)生損傷，裂紋產(chǎn)生、發(fā)展、貫穿甚至發(fā)生宏觀失效。存在圍壓工況下，圍壓的存在約束了混凝土發(fā)生橫向變形，裂紋的產(chǎn)生變得困難，更不容易產(chǎn)生損傷破壞，峰值應(yīng)力更高。

2.2 能量分析

通過能量分析確定其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性時(shí)需要進(jìn)行如下假設(shè)：試驗(yàn)系統(tǒng)處于一維應(yīng)力狀態(tài)；混凝土試件與入射桿及透射桿之間的摩擦可忽略不計(jì)。入射波、反射波和透射波的能量分別按下式計(jì)算[10]：

式中：E0，c0，A和ρ0依次為彈性桿的彈性模量、縱波波速、橫截面積及密度；εI（t），εR（t）和εT（t）為入射波、反射波和透射波的應(yīng)變波。若裝置無能量損失，與外側(cè)無能量交換，則該試驗(yàn)嚴(yán)格滿足能量守恒定律：

式中：WJ為應(yīng)力波在試件傳播過程中耗散的能量。即試件發(fā)生塑性變形，破裂的碎塊發(fā)生彈射的那部分能量。與峰值應(yīng)力的規(guī)律不同，耗散能隨圍壓的增加不斷減小，圍壓越大，耗散能越小。圍壓的存在，可以增加混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)抵抗變形的能力，增加致密性[11]，更利于應(yīng)力波在試件中的傳播。

3 結(jié)論

本文研究了不同圍壓工況下混凝土試件的應(yīng)力波傳播特性，結(jié)論如下：

（1）試件的峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加逐漸增大；

（2）在試驗(yàn)的圍壓范圍內(nèi)，其與圍壓之間嚴(yán)格的符合線性增加的關(guān)系；

（3）與單軸壓縮試驗(yàn)相比，圍壓的存在會(huì)明顯的增加試件抗壓強(qiáng)度，增大其抵抗變形的能力，且隨著圍壓的增加，其抗壓強(qiáng)度越大，抵抗變形的能力越強(qiáng)。