關于混凝土動態拉伸測試辦法的探討分析，依據本文及其他工作研究的測驗，針對混凝土動態拉伸試驗需應用到的檢測設備條件，軸拉、彎拉和劈裂三種拉伸檢測辦法的適用性進行探討分析，結果實踐基礎的情況下，提出混凝土動態拉伸試驗的試驗方法.可提供相關行業操作人員參考借鑒。

1混凝土拉伸穩定性分析

根據對混凝土受拉變形特點的分析可以看出,混凝土受拉應變軟化的過程也就是應變局部化的過程,即逐漸開裂的過程.因此要想測得混凝土試件拉伸應力-變形曲線的下降段就必須使試件的開裂過程為穩定過程.

現將實驗裝置簡化為如圖1所示的物理模型.其中:km為試驗機本身所具有的剛度,取決于立柱、橫梁、活塞等的剛度.kL為測力桿的剛度.kf為附加框架的剛度.kr為試件非開裂區彈性剛度.kcr為試件的荷載-開裂寬度曲線的*大(優良值)剛度.實驗設備與試件彈性部分串聯后的剛度為

對于任意小的虛擬開裂δw,整個試驗系統包括試件彈性部分所釋放的彈性能為(見圖2)

2動態拉伸試驗對儀器設備的要求

前一章已經對試件穩定開裂的必要條件作了闡述.得出結論是:試驗機系統的剛度必須足夠大;試件截面積不宜過大,試件長度不宜過長.當試驗機剛度不足時,則可以通過在試驗系統中增加剛性輔助元件,如拉桿、彈簧等,用以吸收試驗機釋放的彈性能.（相關儀器：拉力試驗機）

采用普通液壓試驗機時,僅能測定靜載時的軸拉應力變形全曲線.由于在過應力峰值后無法控制其速率,其曲線下降段的應變速率一般波動較大,常常以普通模擬式X-Y記錄儀能記錄下來為準,即整個下降段過程不能短于零點幾秒.因此,當考慮加載速率影響時,采用普通試驗機作軸拉試驗是不適宜的;電液伺服試驗機則比較適宜.一則其加載控制方式除力以外,可用作動器行程(位移)控制,更可用試件的變形或某一點的應變控制,這對于獲得穩定的破壞全過程是十分有用的;再則其加載速率可以準確的控制,一般為0～50Hz.即可以包括蠕變、靜載、地震作用的加載速率范圍.

由于電液伺服試驗機行程控制是通過機內裝有位移傳感器(一般采用LVDT差動變壓器式位移傳感器)來準確地量測活塞桿的行程,所以可以測得試驗機系統的剛度值.其方法是使作動器直接壓到機器底座的下壓頭上(如果行程不夠,可在上下壓頭間墊有截面積很大的實體;其剛度可視為無窮大,或者能準確計算其剛度值),逐級施加力,從而測得力-行程關系.試驗機的剛度便可計算出來:

Km=F/(Δla-Δlb)(11)

式中:Km為試驗機系統剛度;F為施加的力;Δla為作動器行程值;Δlb為墊塊壓縮值,可以實測,也可以根據力、墊塊截面積、長度和彈性模量計算.

有了試驗機的剛度值后,則可用于估算試件是否發生穩定破壞和是否需要增加剛性輔助元件來保證試件的穩定破壞.

動態試驗的另一關鍵問題是數據采集系統的采樣速率必須足夠快,才能把迅速變化的力和變形數據記錄下來.采用計算機控制的數據采集系統,其采樣速率取決于傳感器的響應速率、數模轉換速率、通道切換速率和計算機的速率.一般采樣速率為103～104次/s,特殊的可達106次/s.在使用時應對其有明確的了解.如果能保證在加載和破壞過程中,對每個通道的數據可采到100個以上,則所記錄的過程將是準確完善的.其他的記錄儀器,高速多跡線記憶示波器是較理想的,其記錄的時間分辨率可高達0.1μs.對于混凝土快速加載,無論速率多高,都可記錄下來.在試驗中采用的Tektronix511A四跡線記憶示波器就是這樣的儀器.其缺點是必須事先標定其顯示值(電壓值)與物理量(力、位移等)真值之間的關系;其物理量的分辨率可達2%左右,不如計算機采集**.用于靜載試驗的X-Y記錄儀,由于其記錄需將模擬電壓經機械傳動裝置轉換成記錄筆頭運動畫線,其畫線速度一般1到幾秒內完成,故不適應于快速動態試驗.

測定力和變形的傳感元件,如力傳感器、應變片、夾式引伸儀等電阻式傳感器,其響應速率可達104Hz以上,對于快速加載試驗是足夠的.但是電阻位移計、電子百分表等,由于其位移測量需由機內滑桿運動實現,在高速率下,有機械滯后現象,則不宜用于動態試驗.

3三種拉伸試驗方法對動態拉伸試驗的適用性混凝土拉伸試驗的靜態試驗方法目前有三種,軸拉試驗、劈拉試驗和彎拉(亦稱抗折)試驗.軸拉試驗是*基本的試驗方法,方法的核心是對混凝土棱柱體試驗件進行均勻的軸向拉伸.在我國各類混凝土試驗方法標準中,水工混凝土試驗方法SD10582詳細規定了軸拉試驗方法〔8〕.軸拉試驗能夠直接準確地測得混凝土軸拉強度,不需做換算.其缺點是:試件對中很困難,一旦出現偏心,則所測得的強度誤差較大;試件的安裝與夾持困難,需要在試件端部預埋加強筋或制成局部大頭.盡管試驗操作困難,但對于獲得應力-變形關系,是可行的方法.劈裂拉伸試驗是一種軸拉試驗的替代方法,目前大多數規范均規定劈拉方法為標準試驗方法,并規定劈拉法測得的強度換算為軸拉強度應乘以0.9的換算系數.劈拉法的優點是操作簡便,其缺點是無法測得應力-應變關系.根據彈性力學,在劈裂面上的應力分布如圖3所示,因此很難斷定何處的應力-應變代表試件的應力-應變關系.再者,由于劈裂面上下各墊有三合板墊條和圓弧形劈條,在試件裂開達荷載峰時,由于摩擦及墊條兩側的橋架作用,荷載不立即下降,有明顯的滯后現象.圖4為劈裂法測得的荷載-試件中部應變關系〔7〕,可以看出上述原因造成的荷載下降滯后是很明顯的.彎拉法試驗所測得的彎拉強度,對水泥混凝土路面和機場道面等適用.大量的研究表明,混凝土彎曲時,其斷面上的應力分布出現軟化段,并可簡化成梯形或矩形分布.因此抗拉強度和彎拉強度間存在著換算關系.

對于動態抗拉試驗,根據本文試驗和文獻〔5〕試驗結果對比說明(圖5),三種試驗結果的速率敏感性不盡相同.其中劈裂法所得的加載速率的影響遠高于另外兩種方法.究其原因,主要在于機械滯后效應的影響.因此劈裂法不適合動態試驗,更何況用劈裂法是無法研究混凝土受拉時的應力-變形特性.軸拉法盡管實現困難,但它特別適合動態試驗.不僅是因為試驗中應力-變形關系明確,易于測量,而且其加載速率關系也明確,易于控制.此外,加載過程中無類似摩擦等其他機械原因造成誤差.彎拉試驗方法,對于以彎拉(抗折)強度為依據的混凝土結構,需研究圖5不同試驗強度速率敏感性速率敏感性的,或者研究不同試件尺寸、骨料粒徑對速率敏感性的影響者,仍不失為一種較好的動態試驗方法.原因在于其試驗操作簡便,試件容易制作,可適合各種截面尺寸.同時,彎拉強度與軸拉強度有較好的相關性.本課題的研究表明,軸拉彈性模量,極限強度和軟化曲線斜率等的速率敏感性基本一致,而彎曲抗拉(抗折)強度與截面上應力分布曲線的積分有關,所以彎拉強度的速率敏感性與軸拉強度的速率敏感性密切相關并且比較接近,故而在研究試件尺寸和骨料粒徑等因素對強度速率敏感性的影響時,可以采用彎拉試驗方法.不過有一點應特別注意,在彎拉試驗時,三分點加載所用的兩個支座和兩個加載點都應采用滾動可移鉸支座,即盡量做到轉角和水平位移均無約束,使摩阻力越小越好.否則將比靜載引起較大的誤差.

4結論

(1)為獲得混凝土拉伸全曲線的軟化段,除試驗機系統必須有足夠的剛度外,還必須保證試件局部軟化區所消耗的能量大于試件非軟化區所釋放的彈性能,這樣,拉伸試件的長度不宜大于試件*小截面寬度的2倍.當試驗機剛度不足時,可在試件四邊增設剛性輔助鋼桿等增加試驗系統卸載剛度的措施,以確保試件產生穩定開裂過程.

(2)進行混凝土動態拉伸試驗應采用電液伺服式結構試驗機,并應采用位移控制.加載速率的控制可采用計算機數控系統操作或采用模控系統中的函數指令發生器操作.

(3)動態試驗的數據測量可采用高速動態數據采集裝置,如計算機采集系統或記憶示波器等.采樣速率應確保試驗曲線的上升段和下降段的采樣間隔不大于荷載變幅的2%.

(4)進行混凝土動態拉伸強度和變形性能試驗,*好的方法是軸接試驗.當研究加載速率對強度影響時,也可采用抗折試驗方法.劈裂法試驗不適合混凝土動態拉伸試驗.