预静载对混凝土弯拉强度的影响：试验印证

以上试验研究由于试验条件的限制，实际荷载为冲击荷载，与地震时的反复作用还不一样，加上试件样本容量有限，试验结果具有较大的离散性，很难得出定量的规律性结论。为了进一步印证和探寻预静载下混凝土极限弯拉强度的变化规律，中国水利水电科学研究院在河海大学的协助下，采用小湾拱坝工程三级配优化配合比混凝土，进行了如下全级配（三级配）大坝混凝土动态性能试验研究（陈厚群等，2004）：①大坝全级配混凝土试件的静态弯拉试验；②大坝全级配混凝土试件在初始40%静载条件下的动态弯拉试验；③大坝全级配混凝土试件在初始80%静载条件下的动态弯拉试验；④大坝全级配混凝土试件在无初始静载条件下的纯动态弯拉试验。

动态加载方式，除考虑因小湾拱坝坝体基本周期约1s，因而取0.25s内达到其极限的加载速率施加冲击型荷载外。为了模拟高拱坝在地震往复作用下的低周疲劳影响，又采用三角形变幅循环加载方式。根据与小湾工程场地设计有效峰值地震加速度EPA对应的震级为M＝6.3推断，其地震持续时间约为10～12s。为此选择三角形变幅循环加载波形如图2.11所示。该研究有如下主要结论：

图2.11　三角形变幅循环加载波形

（1）对小湾拱坝工程的R180400全级配混凝土大试件，其180天龄期的静态立方体抗压强度为41.82MPa，为其湿筛小试件抗压强度47.81MPa的0.87倍；而全级配大试件的静态弯拉强度3.58MPa为其立方体抗压强度的8.5%，略小于目前规范中对湿筛小试件所采用的10%。

（2）见表2.6，在冲击加载作用下，不同初始静载对混凝土极限弯拉强度影响试验的初步结果显示：无初始静载时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高17.3%；初始静载为40%时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高28.5%；初始静载为80%时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高37.3%。

（3）见表2.6，在变幅三角加载作用下，不同初始静载对混凝土极限弯拉强度影响试验的初步结果显示：无初始静载时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高17%；初始静载为40%时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高25.1%；初始静载为80%时，全级配混凝土动态极限弯拉强度比静态极限弯拉强度提高31.3%。

表2.6　预静载和加载方式对全级配混凝土动弯拉强度的影响

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（4）在试验采用的加载速率下，全级配混凝土动态弹性模量较静态弹性模量略有提高；三角波加载所得的混凝土动态弹性模量比采用冲击波加载所得的混凝土动态弹性模量略低，见表2.7。其原因应为采用三角波加载的前三个周期的混凝土的应变率低于冲击波加载；动态弹性模量随预静载的提高率，明显小于弯拉强度的提高率。

表2.7　预静载和加载方式对全级配混凝土弹性模量影响

① 动态值对静态值的提高率，以静态值为基准。

为了突显预静载对全级配混凝土动弯拉强度的强化现象，由表2.6绘制出如图2.12所示的动载增强系数与初始预静载的关系曲线（图中动载增强系数为动态强度与静态强度之比）。从图中明显看出，在无静态预载时，相对于静态的动态提高率都小于规范中对湿筛小试件所采用的30%；初始静载并未对全级配混凝土动态极限弯拉强度产生不利影响，在初始静载达到80%以前，随着初始静载比例的提高，动强度反而有所提高；在冲击型动载和变幅三角型循环动载作用下，不同静态预载对全级配混凝土极限弯拉强度影响的规律基本一致；三角波加载所得到的混凝土动态强度比采用冲击波加载得到的混凝土动态强度略低，体现了往复循环加载的低周疲劳影响。

图2.12　预静载对动弯拉强度的影响

本次试验再次显示了大坝混凝土的动态弯拉强度随静态预载而提高的现象是客观存在的。

从工程实际应用角度，为了确定混凝土大坝在实际运行中遭受强震作用时不同部位的混凝土动态强度增强系数，关键问题是对大坝混凝土在地震作用下动态强度随预静载变化的规律性和内在机理的认识，及其提高系数设计取值的定量估计。这是一项工程急需、又具有重要创新意义的学科前沿课题。