V o.l 20No .2
2008年6月J OURNAL OF N I NGBO UN I VERS I TY OF TECHNOLOGY J une .2008
收稿日期:2007-12-27
作者简介:单一峰,男,宁波大红鹰职业技术学院。
岩石在静载和高频振动实验中的力学性能研究
单一峰1
,迟军
2
(1.宁波大红鹰职业技术学院,浙江宁波315175;2.宁波工程学院,浙江宁波315016)
摘要:该文从岩石强度理论、振动理论的基本理论出发,通过实验的方法(单轴压缩实验,高频振动疲劳实验),对岩石在静载和动态下所表现出来的力学性能进行了分析,对工程实践有重要的指导意义。
关键词:岩石;力学性能;高频振动中图分类号:O 34文献标识码:A
文章编号:1008-7109(2008)02-0052-05
1引言
由于岩石经常作为桩基或设备基础,所以其疲劳性能受到广泛关注,目前的疲劳实验大多都是针对混凝土、钢材等机械构件,对于岩石疲劳方面的试验不是很多,特别是用高频振动的试验更少。本次实验旨在结合力学理论知识,分析岩石的静载实验强度和高频振动疲劳强度的力学特性,探索开发高频振动实验机在岩土工程某些领域的应用。
2岩石力学行为的静态实验研究
2.1岩石试件的材料性质简述
本次实验用的材料是603花岗岩,产地是福建福州。颜色呈灰白色。
表1福建603花岗岩材料相关资料
品种代号颜色性能
密度g /c m 抗压强度/M Pa 抗弯强度/M Pa 肖氏硬度磨损量c m
产地锋白石603
灰白
2.62195.62
3.3103.0
7.
厦门
2.2岩石单轴极限抗压强度实验基本原理
单轴抗压试验是岩石最主要的试验项目之一,由于其试验方法与仪器较为简单,有些规范规定以其来评价岩石承载能力,例如地基规范即以饱和单轴抗压强度作为确定岩石地基承载力设计值的依据。岩石单轴极限抗压强度,简称岩石抗压强度,是在室内常温条件下进行实验得出的岩石试件达到破坏时
图1贴有电阻应变片的岩石试件的极限强度。即R c =
P
F
式中R c 岩石单轴抗压强度;
P 试件破坏时的总载荷; F 试件的横载面积。
研究表明,影响岩石单轴抗压强度的主要因素有:试件
尺寸、试件端部约束效应、加载速率、岩石层理及结晶状态、
岩石的含水程度、温度。本次实验用试件材料见图1。
单一峰迟军:岩石在静载和高频振动实验中的力学性能研究
2.3岩石应力应变实验数据结果及分析2.
3.1岩石试件的尺寸和质量的测量数据:考虑机械加工的误差,初步设定603花岗岩试件加工尺寸为直径40mm,高80mm 的圆柱体。加工后其试件几何尺寸基本符合1:2的关系,但上下底面不是很平整。在高温下进行烘干,对试件进行称重测量,其结果认为该材料的含水量极低,可以认为岩石处于干燥状态,从而不考虑水分在实验中的作用。
2.3.2试件的应力应变实验数据分析:第一组试件采取施加均布载荷,直接压缩实验。考虑到试件表面不平整所导致的误差,因此主要对得到的结论作定性分析。
图2均布载荷中试件纵向应力-应变曲线图3单轴压缩条件下岩石的应力-应变关系曲线
图2为均布载荷中试件纵向应力-应变曲线,呈三个变化阶段。第1阶段OA:曲线上弯,其斜率逐渐增大;第2阶段AB :曲线近似为直线,其斜率近似为一个常数;第3阶段BC :曲线逐渐偏离AB 而下弯,其斜率渐减。分析认为,阶段1中斜率渐增是由于岩石中原有裂隙或孔隙的逐渐压紧闭合所致;阶段1和阶段2中,试件伴随出现了一些初始破损,但由于相应的荷载不大,因而不占重要地位,岩石的应变主要还是体现为弹性应变;而第3阶段,岩石内部的局部破损增多,最终导致试样破坏,岩石的应变由弹性应变和塑性应变组成。
根据现有岩石力学实验研究的结论,在单轴压缩条件下岩石的应力-应变关系曲线一般有一个峰值,在峰值以前称破坏前阶段(破坏前区),峰值以后称破坏后阶段(破坏后区),如图3。通过对照不难发现图2反映的正是在普通压力机下试样破坏前区的典型的3个阶段。
图4为均布载荷中试件横向应力-应变曲线。由于岩石内部结构复杂,一般认为由膨胀所致的应变曲线呈增长状态,所以图4基本反映了这一现象。
图4均布载荷中试件横向-应力应变曲线
图5点载荷试件循环纵向应力-应变曲线
第二组试件采取点载荷,即以1c m 为直径的圆柱体铁块放在试件上底面圆心处,载荷力加在铁块上,并且分三次循环加载。观察图5发现曲线也大致分三段,与第一组试件类同。并且三次循环所得的循环应变曲线都类同,见图5。
由上述实验应力-应变关系曲线可知,岩石的断裂为脆性断裂。
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宁波工程学院学报2008年第2期
3岩石力学行为的高频振动实验研究
3.1高频振动实验的基本原理3.1.1单自由度强迫振动的基本原理:根据振动理论可将激振系统看作单自由度理想集总体系的图6单自由度强迫振动系统示意图
强迫振动。如图6所示的单自由度理想集总体系。
3.1.2动态测试系统及分析技术:近几十年来随着计算机技术与电子技术的飞速发展,动态测试技术有了长足的进步,由此产生了各种快速的测试系统,但这些测试系统的原理是基本相同的。大多数动态测试系统有以下几部分组成:激振部分、信号测量与数据采集部分、
信号分析和频响函数估计部分。
其中激振系统是激发被测结构或机械的振动源,该系统由信号发生器、功率放大器和激振器等组成;信号测量与采集部分由传感器、电荷放大器、数据采集器等组成;信号分析与频响函数(FRF)估计部分,因识别方式不同,信号处理方法、设备也不同,而频谱分析仪是频域分析中必不可少的部分。
3.2高频振动频率的划分及实验过程设计
对理想集总体系来说,三类参数m 质量、c 粘阻尼系数及k 弹性系数,在不同频段对动力反应所起作用是不同的,即所谓的三类控制。见表2,此表系以竖向振动为例,并注意到高频段部分,即我们所要用到的频率范围。由于试件加工很难保证截面平整,所以高频振动实验都采取点载荷。加载方式又分为(a)等幅加载、(b)先低后高的变幅加载,载荷波形为正弦波,加载频率为100H z 。
表2m 、c 、k 参数在不同频段对动力反应的控制表
序号频段控制动力反应简化式
1低频段 << n 弹簧控制z Q
0K
co s t
2共振段 n 阻尼控制z Q 0sin n t c n =Q 0k !12D
sin n t
3
高频段 >> n
质量控制
z
Q 0
m 2
cos t 图7Zw ick-100HFP5100高频试验仪器
3.3Zw ick-100H FP5100设备和基本操作技术
本次实验用到的Zw i c k --100H FP5100设备高频试验仪器见图7。其主要指标:频率范围50H z~300H z ,荷载10k N ~100kN 。Zw ick--100H FP5100应用软件分析。该试验机软件分为Co mm unicate 、V iber W in 、V i b er T ool 、OnL i n e G raph 和V i b eo G raph 五个部分:运行V iber W in ,显示出实际加载的控制的窗口,包括波形图的显示;运行V iber Too,l 可以
预先设定所要实验的步骤,之后在V iber W in 中调出程序,使系统自动执行;运行OnL i n e G raph ,实时显示出实验中的数据曲线;运行V ibeo G raph ,调出实验保存的结果,绘制出所需要的图像。
3.4高频振动实验过程及数据处理3.
4.1等幅加载实验过程和结果:(1)取静载荷实验所得的极限破坏力的平均值:51.15kN;(2)第一次实验:首先,以黄金分割为标准,取61.8%的静载极限强度:31.6kN;其次,将预压载荷设为19.5kN 、动载荷设为12.1kN;经过8个小时的振动,岩石试件没有破坏发生,实验相关数据见表3。
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单一峰迟军:岩石在静载和高频振动实验中的力学性能研究
表3第一次实验:61.8%静载极限强度、8小时振动实验数据表动载荷:
12.10kN 预压载荷:
19.50kN 加载循环次数 开始及结束:0,2772000试验时间:
8∀3600s
表4第二次实验:75%静载极限强度、47秒振动实验数据表动载荷:
14.70kN 预压载荷:
23.70kN
到达极限,试件破坏,试验停止;加载循环次数开始及结束:0,4554试验时间:
47s
(3)第二次实验:首先,取75%的静载极限强度:38.4k N;其次,以黄金分割为标准,将预压载荷设为23.7kN 、动载荷设为14.7kN;结果加载振动后,经过4554次循环、约47秒,试件破坏。实验相关数据见表4。
3.4.2变幅加载实验过程和结果:设置实验过程:静载荷从12kN 到22kN,以每2kN 的力自动加载;动载荷从6k N 到12k N,也以每2k N 的力自动加载。这里要用到V i b er Too l 工具,建立6个模块分步进
行。设定每次加载后振动次数达到0.02∀106
次,若振动中没有破坏就自动进入下一个模块,直到破坏停止。见图8。
图8变幅加载程序流程图图9试件破坏后图
实验开始后,OnL ine G raph 实时记录下图像变化。最后当进入第六个模块时,试件被破坏。记录数据见表5。振动破坏的试样见图9。
表5变幅加载实验数据结果表
破坏时动载荷:
12k N 破坏时预压载荷:22k N 受力点面积
4.01mm 2
到达极限,试件破坏,试验停止;加载循环次数开始及结束:0,
100591试验时间:
19∀60s
4结论
从本次研究中可以得到如下结论:(1)岩石类材料制成的试件的破坏是脆性破坏,并且高频振动的
破坏力远大于静载破坏。603号花岗岩材料在高频试验机上,只需常规试验机75%的应力就可以使它破坏;(2)在高频试验机上,在低应力情况下,即使振动循环很多次,也不会破坏,在高应力情况下,循环到一定次数后就破坏;(3)岩石类材料制成的试件,其破坏总是发生在一个局部的小区域,一般情况下这个局部的区域的准确位置是很难预先估计到的;(4)603号花岗岩没有损伤潜伏期,也没有剩余寿命的概念,也就是说该材料在破坏前几乎没有损伤度,当载荷达到一定大小时就马上破坏,不过这与该材料的固有属性是有关的,可否推广到别的材料的岩石上有待进一步考证。
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参考文献:
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M echan ica l Pr operty o fRock in Stati o nary and H igh-frequency V ibration Experim ents
SHAN Y i-feng1,C H I Jun2
(1.N ingbo Dahongy i n g Vocational Technical Co llege,N ingbo,Zhejiang,315175,Ch i n a;2.N i n gbo U ni versity of Techno logy,N ingbo,Zhe jiang,315016,Ch i n a))
Abstrac:t Based on the i n tensity theory and the v i b ration theory of t h e rock,th is paper analyses the m echani ca l properties of the rock in the stati o nary and dyna m ic cond iti o ns through pressure testi n g and h i g h-v i b ration fatigue testi n g as w el.l
K ey w ords:r ock,m echanical property,h i g h-frequency v i b rati o n
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Se lection of Ca lculati o n Param eter forM u lti-tow er Str ucture
YANG Shang-yuan1,C HEN Q I2,GAN W e i-zhong2
(1.N ingbo Y i n zhou A rch itecturalD esi g n Institute,N i n gbo,Zhe ji a ng,315000,Ch i n a;2.N ingbo Un i v er sity o fT echnology,N i n gbo,Zhejiang,315016,China)
Abstract:The structura ldesign of the m u lti-to w er is qu ite co m plicated.The paper discusses the desi g n m eth od in t h e li g ht of the structura l characteristics,arrange m ent regu l a ti o ns,selection o f calcu lation m ode l as w ell as the pri n c i p le o f ca lculati o n,expounds f u rther the str uctural characteristics and the se lecti o n of the calcu la ti o n of typ ica l contr o l para m eters and puts for w ard so m e suggestions for structura l arrange m ent and calculation para m eter selection.
K ey w ords:M ulti-to w er buildi n g,str uctural arrange m en,t m ode,l co m puterized ca lculation princ i p le,ca lcu lation para m eter下载本文
