加载速率对拟静力试验的影响

加载速率对拟静力试验结果的影响

摘要：静力试验是目前结构试验中最普遍和最常见的方法之一。静力试验中的加载速度直

接关系到实验结果的准确性和实验的时间成本。因此，选取合适的加载速率，既能得到准确的实验结果，又能提高实验效率，节省时间成本。本文讨论了加载速率对实验结果的影响，为试验中选择合理和加载速度提供了参考。

一、 静力试验的意义和优势

由于土木工程涵盖的专业领域很宽，土木工程的荷载种类很多。如结构自重，土的自重，风荷载，雪荷载，水压及流水压力，以及某些情况下产生的地震作用，温度作用等偶然何在和间接作用。一般的，按照荷载的时间变异，将荷载分为永久作用——在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化值可以忽略、可变作用——在设计基准期内量值随时间的变化不可忽略、偶然作用——在设计基准期内可能出现，且量值可能很大的作用。

严格地讲，所有的荷载作用都是随时间的发展而变化的，例如混凝土在长时间工作时的碳化、剥落，钢结构构件的锈蚀等，都会改变结构的自重。回填土的密度随着降雨的变化而变化。但上述这些变化本身都很小，加之变化持续的时间很长，变化引起的结构的加速度极小，其加速度更是可以忽略不计。荷载能否按静载处理的关键不在于结构是否具有动力特性，而在于是否使结构产生不可忽略的加速度。

结构拟静力试验是结构试验中最多，最常见的一种基本试验方法，因为绝大部分结构在工作中承受的是静力荷载。在科技迅猛发展的今天，尽管各式各样的结构分析方法不断涌现，动载试验也被置于越来越突出的位置，但是静载试验在结构研究、设计和施工中仍然起着重要的作用。大型振动台的出现，无疑给结构抗震提供了一个有效手段，但是振动台试验存在承载力小、试验费用高、技术复杂等弊病。低周反复试验（拟静力试验）和计算机-电液伺服联机试验（拟动力试验）相比振动台试验，具有承载力大、技术简但、成本低廉等优势。仍然在抗震试验中发挥着重要的作用。

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二、 加载速率对岩石力学性能的影响

吴玉山等[1]根据岩石在单轴压缩下取得的荷载-位移全过程,对岩石破坏后区力学性状进行了探讨。随着应变率的增加,峰值强度也随之增大。以大理岩情况为例,当应变率增加10倍,强度增加5-15%。这一结果与日本西松裕一等人“应变率每增加10倍,强度增加75kg/cm”的结论大致相符。但是,峰值强度前的变形量,随着应变率的增加,其变化不明显,均属同一数量级。从该表可知,当应变率从10-7s/增加到10-4/s时,非弹性变形量减少了31%石左右。这一趋势表明,随着应变率的增加,岩石越显脆性。岩石到达峰值前的非弹性变形量,随着应变率的增加而减少。据大理岩试件的统计,其数值如表1所示。

大理岩

花岗岩

角闪岩

图 1 不同加载速率下几种典型岩石的荷载-位移曲线

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表 1 大理岩在不同应变速率加载下的强度和变形指标

应变速率

岩性

1/s

大理岩 大理岩 大理岩 大理岩

5.2*10-4 5.2*10-5 5.2*10-6 5.2*10-7

130.3 115.0 98.5 94.2 极限强度（MPa）

峰值变形

塑性变形

(mm) 0.35 0.315 0.375 0.30

0.075 0.080 0.082 0.110

王学斌[2]使用有限差分软件FLAC编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的 FISH 函数，模拟了加载速率对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。加载速率较低及适中时，岩样发生单剪切破坏，剪切带倾角及宽度不受加载速率影响，应力-轴向应变曲线及应力与侧向应变曲线软化段的斜率不依赖于加载速率；高加载速率使岩样发生 X 型剪切破坏，两种曲线软化段较平缓；在相同的轴向应变时，高加载速率使剪切带长度降低。随着加载速率的增加，岩样失稳破坏的前兆越来越明显，当加载速率较高时，前兆反而不明显，这是由于应力存在较大的波动，导致不正确地估计了应力峰值所对应的轴向应变。在应变软化阶段，高加载速率使侧向应变与轴向应变曲线、泊松比与轴向应变曲线及体积应变与轴向应变曲线变平缓，也使体积应变与轴向应变曲线的峰值及对应的轴向应变增加。

三、 加载速率对混凝土力学性能的影响

由于混凝土是应变速率敏感性材料，随着应变速率的增加混凝土表现出与静态下不同的力学特性和破坏形态。混凝土结构在地震、撞击和爆炸等动力作用下进行的结构分析时，若不考虑应变速率的影响会带来较大的误差。

1.1. 加载速率对混凝土材料单轴性能的影响

张玉敏[3]通过对不同强度等级的模浇混凝土和切割混凝土在不同加载速率下的力学性能的实验研究，模制混凝土试验结果表明，随着应变速率的增加，单轴压缩状态下混凝土的抗压强度也随之增长，其中 C20~C35 混凝土增长范围为 1~33%，C40~C60 的增长范围为

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