加载速率对钢筋混凝土构件力学性能影响研究综述

【摘要】混凝土与钢材同为应变率敏感材料，因而钢筋混凝土构件在不同加载速率下的力学性能也存在差异。本文对国内外不同加载速率下的钢筋混凝土构件力学性能进行了简要介绍，得出一些了共性结论并指出一些存在的问题。

【关键词】加载速率；钢筋混凝土；强度；刚度；耗能能力

引言

钢筋混凝土构件是目前国内外建筑领域应用最普遍的承重构件，建筑物在使用过程中不仅承受静载，还需承受风荷载，甚至少数建筑还有可能在使用过程中承受地震作用和爆炸荷载，因而研究钢筋混凝土构件在不同加载速率下力学性能则显得尤为重要，为此本文将对国内外研究现状进行简要阐述并加以说明。

1 加载速率对混凝土力学性能影响

孙吉书[1]对不同加载速率下的混凝土试块进行了单轴受拉研究，表明较应变率为10-5/s的C45试块，应变率每提高一个数量级，抗拉强度分别提高11%、18%以及25%，弹性模量分别提高了3%、17%以及18%，此两者与应变率之比的对数有线性关系。

闫东明等[2]进行了较大应变率范围（10-5/s～10-0.3/s）混凝土单轴拉伸试验，表明应变率增大，混凝土单轴拉伸强度提高，强度与应变率对数有直线关系，泊松比不变，吸能能力提高。

肖诗云[3]则对混凝土抗压损伤特性进行了不同应变率下的研究，得到了与抗拉特性相同的结果，也说明应变率增加，混凝土切线模量退化增大，损伤值减小，但影响不大。

2 加载速率对钢筋力学性能影响

Pui-Shun等 [4]通过对软钢在不同速率下拟静力荷载的研究，在应变率为0.1/s的动荷载下，软钢的单轴屈服强度比静载下高出约50%，较循环加载单调加载更加显著。

林峰等[5]对建筑中的常用钢筋进行了不同应变率的抗拉试验，研究表明应变率的提高，钢筋屈服强度和极限强度有所增大，但极限强度增加幅度偏小，屈服点低的钢筋以上现象更加明显。

李敏等[6]对建筑钢筋进行了研究强度低的钢筋要比高的耗能能力要高，应变率敏感性强，并建立了钢筋动态循环本构模型。

3 加载速率对钢筋混凝土构件力学性能影响

范国玺[7]对钢筋混凝土梁柱节点进行了加载速率分别为0.4mm/s、4mm/s以及40mm/s的试验，随着加载速率的提高呈现出以下特点；梁柱节点处的破坏形态无明显变化；较屈服承载力提高12.74%和14.38%，极限承载力提高幅度了7.68%和12.84%，增长幅度降低；高速率下的节点初始刚度高于低速率，但退化较快，到节点破坏时已低于低速率；节点耗能（等效粘滞阻尼系数）在节点极限承载力之前增大，在其之后降低。

张晓丽[8]对不同加载速率下的高剪力墙抗震性能进行了研究，结果表明地震应变率下墙体的破坏形态与静载无异，当加载速率提高两个数量级时，屈服力提高了8.8%，极限承载力提高了5.7%；轴压比为0.1时，应变率提高使剪力墙耗能增大.但为0.3时则降低；高应变率下的墙体刚度退化则为先快后慢。

许宁[9]对快速加载下剪力墙试验得到了与张晓丽类似的结果，相比静载：破坏形态相同，承载力和耗能能力略有提高，但剪力墙同级刚度退化在加载后期更为显著。

Fumiya Esaki等[10]对不同荷速率SRC剪力墙的力学性能进行了研究。试验设计了2种模型比为1/3的SRC剪力墙，其边缘柱均有H型钢加固，并分别施加0.01cm/s的静荷载和1cm/s的动荷载。实验表明：两种剪力墙的破坏方式均为墙内部的滑剪切破坏，其中承受动载的剪力墙内部横向刚度和承载力比静载高出10%，而H型钢对横向承载力和横向荷载-位移滞后作用不明显。

W.Ghannoum等[11]通过对10个模型比为1/3的钢筋混凝土柱在不同加载速率下的研究表明，较低速率，高速率下柱的侧向承载力能提升能提升33%，但循环损害和切变强度的退化更加明显。E.Gutierrez[29]等对不同速率下钢筋混凝土柱的单轴弯曲循环试验表明，加载频率为1Hz的柱较0.02Hz其承载力和吸收的能量高出约5%。

张伟平等[12]对钢筋与混凝土之间粘结性能进行了试验研究，试验表明：加载速率提高，试件破坏方式由劈裂破坏转变为钢筋拔出破坏，前者破坏方式下的粘结强度大于后者，这与Solomos[13]的研究结果是一致的。

肖诗云等[14]进行了对加载速率为0.1mm/s～10mm/s的钢筋混凝土梁的试验，并表明：加载速率的提高，梁的开裂、屈服、极限以及破坏荷载与位移均有明显提高；梁的耗能能力增强，率最高较最低者已将近一倍；延性增大，最多提高了33%。

王文明等[15]通过ABAQUS软件对静态和动态下的钢筋混凝土柱进行了模拟，研究表明，应变率提高，框架结构层间和最大顶点位移变化不大，但倒塌时明显减小；地震波较弱时，框架柱最大基底剪力一般增大，较强以致于倒坍时达到最大。

4 结论

从以上文献可以总结出以下共同特点：加载速率提高，钢筋混凝土构件承载力提高，延性和耗能能力下降，刚度退化明显。但是由于混凝土和钢筋同为应变敏感材料，试验方法的不同往往造成试验结果有较大的离散型，因而针对不同构件需要进行专门的研究.

参考文献：

[1] 孙吉书，窦远明，李岩峰，等. 混凝土动态拉试验研究[J].混凝土，2011（6）：49-51.

[2] 闫东明，林皋，王哲，等.不同应变率下混凝土直接拉伸试验研究[J].土木工程学报，2005，38（6）：97-103.

[3] 肖诗云，张剑，不同应变速率下混凝土受压损伤实验研究[J].土木工程学报，2010，43（3）：40-45.

[4] Pui-Shun B.Shing，Stephen A.Mahin.Rate-of-Loading Effects on Pseudodynamic Tests[J]，Structural Engineering，1988，114（11）， 2403-2420.

[5] 林峰，顾祥林，匡昕昕，等.高应变率下建筑钢筋的本构模型[J].建筑材料学报，2008，11（1）：14-20.

[6] 李敏，李宏男.建筑钢筋动态试验及本构关系[J] .土木工程学报，2010， 43（4）：70-75.

[7] 范国玺， 宋玉普， 王立成.不同应变率作用下钢筋混凝土梁柱节点抗震性能研究[J].工业建筑，2014（7）：1-7.

[8] 张晓丽.加载速率对钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响[D].大连：大连理工大学，2012.

[9] 许宁.快速加载下钢筋混凝土剪力墙性能试验及数值模拟研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[10] Fumiya Esaki，Masayuki Ono.Effect of loading rate on mechanical behavior of SRC shearwalls[J]，Steel and Composite Structure，2001，1（2），201-202.

[11] W.Ghannoum，V.Saouma，G.Haussmann，et al.Experimental Investigation of loading Rate Effects in Reinforced Concrete Columns[J]，Structural Engineering，2011，1-23.

[12] 张伟平，罗丹羽，陈辉，顾祥林 不同加载速率下钢筋与混凝土间粘结性能试验[J].中国公路学报，2014（12）：58-64.

[13] SOLOMOS G. BERRA M.Rebar Pullout Testing Under Dynamic Hopkinson Bar Induced Impulsive Loading[J].Materials and Structures，2010，43（1/2）：247-260.

[14] 肖诗云，曹闻博，潘浩浩.不同加载速率下钢筋混凝土梁力学性能研究试验[J].建筑结构学报.2012，33（12）：142-146.

[15] 师燕超，李忠献.爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式[J].建筑结构学报，2008，29（4）：112-117.