混凝土剪切强度参数试验研究

1、混凝土Concrete2009年第9期(总第239期Number 9in 2009(Total No.239doi :10.3969/j.issn.1002-3550.2009.09.012马玉平,胡志平,周天华,马昕,吴函恒,董海涛(长安大学建筑工程学院,陕西西安710061Abstract:Testing the shear strength of the specimens in different strength grade and ages ,the development law of the concrete shear strength isexpounded.Then th

2、e parameters and appropriate test methods of concrete shear strength can be presented.And direct shear method is used to gain concrete compressive strength and the splitting tensile strength ,studying the relationship among them ,which can provide reference for the study of the concrete shear streng

3、th.Key w ords:concrete ;shear strength ;compressive strength ;splitting tensile strength 理论研究THEORETICAL RESEARCH摘要:通过测定不同强度等级试件在不同龄期下的抗剪强度,总结抗剪强度的发展变化规律,进而提出混凝土抗剪强度参数及适宜的混凝土抗剪强度测定试验方法。采用直剪方法得到混凝土剪切强度,并对其与混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度之间的关系进行研究,为混凝土剪切强度的研究提供参考依据。关键词:混凝土;剪切强度;抗压强度;劈裂抗拉强度中图分类号:TU528.01文献标志码:A文章编号:100

4、2-3550(200909-0040-03Experim ental study on param eters of concrete shear strengthMA Yu-ping ,HU Zhi-ping ,ZHOU Tian-hua ,MA Xin ,WU Han-heng ,DONG Hai-tao(School of Civil Engineering ,Chang'an University ,Xi'an 710061,China 混凝土剪切强度参数试验研究 收稿日期:2009-03-06基金项目:国家自然科学基金项目(406020330引言混凝土抗压、抗弯等性能

5、指标研究在国内外比较成熟,在剪切强度方面的研究还比较少。随着混凝土材料应用领域的不断扩大和研究工作的不断深入1,混凝土的剪切强度作为混凝土的基本力学性能指标以及抗剪强度与抗压、抗拉强度关系越来越受到广泛重视。在隧道、地下结构采用盾构法施工地裂缝处对混凝土结构构件局部受力状态和处于软硬岩石、土过渡地带结构构件受力状态的研究课题中均提出了混凝土剪切强度性能指标的要求。1试件设计与制作1.1试件设计混凝土本身材性决定了其剪切试验方法难以统一,国内外常用的具有代表性的剪切试验方法有以下几种:“Z ”形试件3、“8”字形试件、厚壁圆筒受扭剪切试验、缺口梁四点受力剪切试验、二轴拉压应力状态剪切试验4、等高

6、变宽梁四点受力剪切试验。有些试验方法简单或者试件简单,但应力状态与纯剪相差较远;有些应力状态与纯剪接近,但是要求具备技术复杂的专用试验设备3,一般的实验室不易实现。综合上述试验方法的优缺点,以及方便模具的制作、浇筑和拆卸,在研究混凝土抗剪性能时,使用“Z ”形试件试验简单、直观,但存在缺陷。“Z ”形为单剪破坏,图1为“Z ”形试件几何模型。图中阴影区即为试件的受剪区,面积为100mm ×70mm 。由于“Z ”形试件在剪切面上剪应力分布不均匀,加载过程中图2的A 区混凝土容易发生受拉开裂,影响剪切试验效果。初步的试验中,发现随着加载过程的进行,由于试件中局部存在着扭矩的影响,图2的

7、A 区混凝土受拉,形成两条裂缝,在低龄期时,两条裂缝形成后,并没有产生扭转破坏,最终的破坏方式仍为沿剪切面的剪切破坏;养护28d 后,进行加载试验时,其直接发生扭转破坏。采用通用有限元软件ANSYS 模拟,与试验现象吻合,初步试验没有达到预想的目的。为了克服上述缺点,对“Z”形试件进行了改进,在初步试验产生裂缝处每侧配置2准12的L形钢筋,距上下底面各15mm,钢筋长210mm,以增强此处混凝土的刚度,避免此处先受拉开裂破坏。采用有限元软件ANSYS模拟“Z”形试件的抗剪性能。图3为有限元模型,试件的加载采用:柱底为面约束,三向位移均为0;柱顶在y方向上位移耦合,耦合点加竖直向下的位移荷载。有

8、限元软件ANSYS模拟时混凝土的材料性能如下:f c=32.3MPa, f t=3.06MPa,E=314925MPa,=0.2。经上述改进,有限元模型收敛性较好,剪切面上剪应力分布比较均匀(图5。1.2改进“Z”形试件制作改良“Z”形试件总体尺寸为100mm×100mm×300mm,在制模过程中利用100mm×100mm×300mm的模具和特制的上底为20mm、下底为50mm、高为50mm、宽为100mm、厚为2mm 的梯形钢板组成“Z”形模具。1.3试件制作材料及配合比由于粗骨料的颗粒形状和表面特征会影响到与水泥石的黏结力。碎石具有棱角,表面粗糙,与

9、水泥石的黏结较好,而卵石多为圆形,表面光滑,与水泥石的黏结较差,会对混凝土抗剪强度产生不同影响;根据GB502042002混凝土结构工程施工与验收规范的规定,混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面的最小尺寸的1/4,根据试件尺寸,分别采用516mm的碎石和卵石,0.33和0.40两种水灰比进行试验,以求达到对比的效果。1.4试件制作配合比水泥:P·O32.5R;河砂:中粗;细度模数:2.74,含泥量:0.8%;石子:516mm;压碎指标:卵石5.8%,碎石6.5%;外加剂(减水剂,西安生产。用表1配合比拌制混凝土,测定坍落度和表观密度,制作加钢筋混凝土试件,加钢筋时使钢筋距上下底面各

10、15mm,为了防止钢筋在振动中移位,每次放钢筋前经振动台振捣密实,24h脱模,标准养护。2试验过程在7、14、28d分别进行抗剪强度、抗压强度和劈裂抗拉强度测定并记录数据(见表2,所有数据均为计算机采集。抗剪试验采用微机控制电液伺服万能试验机,控制加载速度为0.1kN/s。表1混凝土配合比表观密度/(kg/m3247025202480253024402510试件组号J-1J-2J-3J-4J-11J-22水泥/kg420420480480420420砂子/kg657744642716648730石子/kg1220(卵1214(碎1193(卵1169(碎1204(卵1192(碎外加剂/kg4.2

11、4.24.2水/kg168168160160164164W/C0.400.400.330.330.390.39坍落度/mm16090553485 503试验分析利用上述方法分6批进行了混凝土剪切强度、抗压强度和劈裂抗拉强度测定试验。由图6可知,试件破坏特征为剪切破坏,与有限元软件ANSYS分析的结果相吻合。从表2中可以发现:抗剪强度与抗压强度的增长趋势是一致的,随着混凝土的龄期增长,强度增长速度开始很快,后来逐渐缓慢。而劈裂抗拉强度在整个龄期内增长速度较为缓慢。抗剪强度大约为抗压强度的1/81/11,为劈裂抗拉强度的1.41.9倍。综合卵石和碎石不同龄期所有的抗剪强度与抗压强

12、度之间关系,得出图7、8。由图7、8得知卵石数据较碎石数据离散性大(结合截面破坏特征进行分析,当受剪区的石子颗粒较大且朝向与加载方向相反时抗剪能力有所增强,而卵石表现的更为突出。具体原因需进一步研究。根据卵石的试验数据,当抗压强度在4055MPa 时,抗剪强度在46MPa之间。抗剪强度大约为抗压强度的1/81/11。根据碎石的试验数据,混凝土抗剪强度与抗压强度存在如下关系:=8.496ln f cu-27.725(1式中:混凝土剪切强度,MPa;f cu混凝土抗压强度,MPa。综合卵石和碎石不同龄期所有的抗剪强度与劈裂抗拉强度之间关系,得出图9、10。由图9、10得知卵石数据较碎石数据离散性仍

13、然较大。根据卵石的试验数据,当劈裂抗拉强度强度在34MPa时,抗剪强度在46MPa之间。抗剪强度约为劈裂抗拉强度的1.41.9倍。根据碎石的试验数据,混凝土抗剪强度与劈裂抗拉强度存在如下关系:=9.4606ln f t,s-6.2307(2式中:混凝土剪切强度,MPa;f t,s混凝土劈裂抗拉强度,MPa。表2试验数据记录及处理立方体抗压强度/MPa 抗剪强度/MPa劈裂抗拉强度/MPa组号J-1 J-2 J-3 J-4 J-11 J-22123平均值123平均值123平均值123平均值123平均值123平均值14d43.246.440.643.446.649.451.949.349.353.

14、953.752.359.662.665.362.541.045.047.544.547.754.054.151.97d35.439.640.838.643.139.544.042.242.946.545.645.053.559.357.056.639.641.441.941.048.347.546.947.628d47.841.149.046.053.757.155.755.553.355.868.369.967.048.850.743.447.657.657.857.357.614d4.425.055.144.875.364.955.295.204.824.78-4.

15、808.505.495.955.345.605.165.966.375.837d4.584.013.564.054.364.02-4.194.305.124.654.697.215.306.266.264.435.244.374.685.824.895.525.4128d6.085.734.875.566.825.604.565.755.108.057.869.168.365.045.926.535.835.776.806.846.4728d3.713.953.803.823.803.753.613.723.863.543.793.734.794

16、.504.484.643.223.883.753.763.8014d3.743.483.823.683.553.023.363.313.173.733.903.603.644.184.364.062.743.573.4033.443.747d3.563.473.713.583.112.932.722.922.953.863.603.473.143.854.263.753.203.263.013.163.763.403.453.54·下转第52 页齐次泊松和非齐次泊松任意时刻的时间与等级变化曲线,见图2。由图2可知,齐次泊松和非齐次泊松的时

17、间与等级的变化曲线基本一致,随着时间的增长,等级不断增加,钢骨混凝土结构耐久性逐渐恶化。根据图2可以确定出此地区钢骨混凝土结构耐久性等级所对应的时间,达到对钢骨混凝土结构耐久性进行预测的目的。4结论时间连续状态离散是预测钢骨混凝土结构耐久性的一种新方法,根据上述分析可以得到如下结论:时间连续状态离散的马尔科夫过程考虑了时间的齐次和非齐次两个方面,由于考虑的因素较全面,因此得到的预测结果也比较符合实际情况;齐次泊松和非齐次泊松的计算简单、概念清楚,其预测结果的准确性和可靠性容易得到保证;结合时间连续状态离散的相关概念,对钢骨混凝土结构耐久性的预测过程进行了简要的介绍;通过算例验证了钢骨混凝土结构

18、耐久性的预测过程,从时间和等级的曲线可以看出,随着时间和等级的不断增加,钢骨混凝土结构耐久性逐渐恶化,且齐次泊松和非齐次泊松两种预测方法的结果也比较接近,说明采用齐次和非齐次两种预测方法都是可行的。参考文献:1缪克旭.钢骨混凝土耐久性评估D.上海:上海大学,2004.2张新占.桥梁管理系统研究D.西安:长安大学,2004.3YANG Ji-dong ,CUNARATNE M ,LU J J ,et al.Use of recurrent Markovchains for modeling the crack performance of flexible pavements J.Journal

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21、tion probabilities using stochastic duration modelsJ.Journal of Infras -tructure Systems ,2002,8(4:139-148.10叶尔骅.概率论与随机过程M.北京:科学出版社,2005.作者简介:哈娜(1981-,女,博士研究生。单位地址:沈阳市和平区文化路3号巷11号东北大学资源与土木工程学院(110004联系电话:137*表3齐次泊松和非齐次泊松的计算结果参数估计转移概率期望等级齐次泊松=0.15P (20=0.04980.14940.22040.22040.360000.04980.14940.22040.5804000.04980.14940.80080000.04980.95020!""""""&