普通混凝土双轴强度和变形的试验与理论研究

1、普通混凝土双轴强度和变形的试验与理论研究覃丽坤1 宋玉普2 姚家伟1 张 众2（1. 大连民族学院 土木建筑学院，辽宁 大连 116605；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）摘 要：利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型混凝土静、动三轴试验系统，对常温下普通混凝土进行了 5 种比例加载路径的双轴压试验，测得了混凝土的强度及应变，并根据试验结果，系统地探讨了混凝土在不同比例加载下的双轴受压强度和变形等力学性能。这些结论，为处于复杂应力状态混凝土结构的设计、分析提供了理论依据。关键词：混凝土；双轴；强度；变形中图分类号：TU317 文献标识码：A

2、 文章编号：实际的混凝土结构中，各点混凝土承受单一的单向受压、单向受拉或纯剪应力的情况是极少的，而大多数混凝土结构物是处于复杂应力状态，混凝土多轴强度与单轴强度差异很大。由于混凝土材料复杂多变的性质和多轴试验技术的难度（目前，世界各国中具有混凝土多轴试验设备的大学和研究所约二十所） ，人们对混凝土多轴强度理论的试验研究发展比较缓慢，从 20 世纪六七十年代开始，发展比较迅速，取得了一些成果1-6，但在某些方面还没达到共识，需要进行大量的试验印证。已有的研究成果1-2发现，混凝土的强度随应力状态的改变具有十分多变的特点，对于同一混凝土材料，在双轴和三轴拉压复杂应力状态下的混凝土强度，其抗拉强度低

3、于单轴抗拉强度，抗压强度低于单轴抗压强度；在双轴和三轴压复杂应力状态下的压缩强度大于单轴压缩强度。在实际工程中，如果不考虑处于拉压复杂应力状态的结构强度明显降低的因素，将导致结构在使用过程中过早开裂、破坏。因此，进行大量系统的试验研究，为处于复杂应力状态混凝土结构的设计、分析提供理论依据，成为一个迫切的重要研究课题。本文利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型混凝土静、动三轴试验系统，对常温下普通混凝土进行了 5 种比例加载路径的双轴压试验，测得了混凝土的强度及应变，并根据试验结果，系统地探讨了混凝土在不同比例加载下的双轴受压强度和变形等力学性能。1 实验设计1.1 原材料与混凝土配

4、比 试验中，采用大连水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨料为碎石，最大粒径为20mm。表 1 为混凝土每立方米的配合比及性能指标。表 1 混凝土的配合比及性能指标水灰比水泥/kg砂子/kg石子/kg水/kg轴心抗压强度 fc/MPa38366311541931.2 试验方法本文为混凝土在多轴应力状态下的力学性能研究项目的一部分，由于整个项目系统性实验的工作量很大，需要进行对比分析，所以，研究中均采用尺寸为 100100100mm 的试件。混凝土力学性能试验是在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型静、动三轴电液伺服试验机上完成(如图 1 所示)。系统由电液伺服阀、电子控制线路

5、和三向分别独立的加力架、加载板、液压缸、荷载传感器和位移传感器（LVDT）组成，可实现各种应力比下的三向拉、三向压和三向拉压的静动态试验。试验时，将试件安装在试验机的加载板间，试件加载面与加载板之间采取减摩措施，减摩材料采用塑料薄膜和甘油。先将试件轴心物理对中，并进行双向反复预压，再以设定的 5 种加载比例，按标准静态加载速率（20MPa/min）在双向同时施加荷载，直至试件破坏。5 种加载比例（即应力比 =2 /3）分别为 0， ， ， ，时，每种应力状态至少试验 5 个试件，当发现离散较大时，增加试件数目，以求数据的完整准确。试件承受的两个方向的压力，位移和应变值均由计算机动态采集。为了准

6、确地量测试件变形值，同时采用了两种试件外部测量方法，一种是电阻应变片直接量测；另一种是变形传感器（本文采用 LVDT） ，即每一个方向设置两支，以求它们读数的平均值，得到试件在该方向的位移和应变值，以上两种方法可以互相印证和补充，采用 LVDT 测量方法如图 2所示。图 1 大型混凝土静、动三轴电液伺服试验系统图 2 试件变形量测2 试验结果及分析21 试验现象 在不同加载比例下，混凝土破坏状态不同，在应力比为 0 的单轴压状态时，因试件在加载时采取了减摩措施，削减了加载板对试件加载端面的约束作用，破坏形状为柱状；在应力比为的双轴压状态时，由于 2 、3 方向压应力的作用，试件在垂直自由面方向

7、产生拉应变，使试件二个自由面向外变形，形成与 2 、3 方向平行的裂缝，破坏形状呈片状，且随应力比 的不同，破坏形状有所不同（如图 3 所示） 。图 3 不同加载比例下混凝土破坏形态22 极限强度及峰值应力点的应变 按照前述试验方法，测得的混凝土在不同加载比例下的极限抗压强度及相应峰值应力点的应变平均值分别见表 2、表 3。表 2 不同加载比例下混凝土极限抗压强度平均值 f 及 随应力比增大的百分比应力比(=2/3)0极限抗压强度 f /MPa增大的百分比/%0表 3 不同加载比例下峰值应力点的应变平均值 3及 随应力比增大的百分比应力比(=2/3)0主压向 3( 10-2)增大的百分比/%0

8、注：取拉应变为“-”，压应变为“+”由表 2 可见，混凝土在双轴压荷载作用下的极限强度较单轴压极限强度提高，提高程度取决于应力比 值。表中给出了基于单轴平均抗压强度的提高值与应力比 的关系，从表中可以看出，在 时，极限抗压强度提高值最大，为 33.01%。由表 3 可见，在不同加载比例下，对应于峰值应力点的主压向应变平均值不同。主压向应变平均值的提高程度，取决于应力比 ，表中给出了基于单轴平均应变的主压向应变平均值 3的提高值，由数据说明，在 时，主压向应变 3提高值最大，为 41.69%。图 4 表示在主应力空间的混凝土双轴强度包络图，由图可见，混凝土在双轴压荷载作用下的极限强度较单轴压极限

9、强度提高，提高程度取决于应力比 值，在应力比 =2/3 =0.5 时，提高幅度最大，此时 2/fc =0.665, 3 /f c =1.33 。00.511.5200.511.52/ fc3 / fc=0=0.25=0.5=0.75=1.0图 4 主应力空间的双轴强度包络图23 弹性模量 表 4 所得弹性模量数值是根据 40%峰值应力对应的应变计算出的割线弹性模量，从表中可以看出，弹性模量 E 随应力比 的增大而增大。表 4 不同加载比例下的混凝土弹性模量应力比 =2/30弹性模量 E/（104 MPa）3 结 论通过本文的试验及理论分析表明：（1）在不同加载比例下，混凝土破坏状态不同，在单轴

10、压状态时，破坏形状呈柱状；在双轴压状态时，破坏形状呈片状，且随应力比 的不同，破坏形状有所不同。（2）双轴压混凝土的极限抗压强度较单轴压极限强度提高，提高程度取决于应力比 值，在 时，极限抗压强度值提高最大，为 33.01%。（3）双轴压混凝土的峰值应力点对应的主压向应变平均值较单轴时提高，其提高程度取决于应力比 ，在 时，主压向应变 3提高值最大，为 41.69%。（4）双轴压混凝土的弹性模量较单轴时提高，且随应力比 的增大而增大。（5）文中给出了主应力空间的双轴强度包络图。参考文献：1 宋玉普，赵国藩. 复杂应力状态下混凝土的变形和强度特性J. 海洋工程，1991，9（2）20-31.2

11、过镇海. 混凝土的强度和变形M. 清华大学出版社，1997.3 过镇海，王传志. 多轴应力下混凝土的强度和破坏准则研究J. 土木工程学报，1991,24(3):1-14.4 Kupfer H, Hilsdorf H K, Rusch H. Behavior of concrete uder biaxial stressesJ. ACI Journal 1969, 66 (8): 656-666.5 Jing Liu, Stephen J. Foster, A three-dimensional finite element model for confined concrete structu

12、res J. Computers and Structures, 2000，77:441-4516.Wang E Z, Shrive N G. A 3-D ellipsoidal flaw model for brittle fracture in compressionJ. International Journal of Solids and Structures, 1999，36: 4089-4109.Experimental and Theoretical Study on Biaxial Strength and Deformation of Normal ConcreteQIN L

13、i-kun1 SONG Yu-pu2 YAO Jia-wei1 ZHANG Zhong2(1. School of Architecture & Civil Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian Liaoning 116605, China2. State Key Laboratory of Coastal Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)Abstract: The test of

14、 concrete specimens under 5 biaxial proportional compressive stress states were completed using the large static-dynamic triaxial test system for concrete in the State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology. The strength of concrete and the curve of stress-strain were measured. According to the experimental results, the mechanical property, such as biaxial compressive strength and deformation under different proportional loadings are analyzed systematically. These conclusions provide theoretical reference for the design an