在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度的研究

何 海 榮

(沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度的研究

何 海 榮

(沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

對(duì)混凝土在雙向受壓、一拉一壓、雙向受拉等應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度開展分析，對(duì)比了在不同邊界約束條件下的受力性能，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，供工程技術(shù)人員參考。

雙軸,應(yīng)力,混凝土強(qiáng)度,邊界約束

1 概述

在19世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了混凝土這種新型的建筑材料。在1896年,德國(guó)人弗·奧托就提出過混凝土三向受壓的破壞特性,1904年他曾進(jìn)行過第一次三向受壓試驗(yàn)。Von Korman在1910年作了三軸向圓柱體試驗(yàn)。但系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究都是20世紀(jì)50年代以后開始的。研究者曾采用過不同形狀的試件,如空心圓柱體、正方形板、實(shí)心圓柱體，立方體等。其中立方體試件能覆蓋全部主應(yīng)力狀態(tài),其他試件只能覆蓋主應(yīng)力空間的一小部分(見圖1)。而且只有扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)墚a(chǎn)生直接剪應(yīng)力,其他方法均不能改變主應(yīng)力軸的方向。

迄今為止,國(guó)外進(jìn)行的2 000多個(gè)多軸向受力的試件,尺寸大小不一,大的邊長(zhǎng)400 mm,小的只有50 mm。試驗(yàn)裝置、加力設(shè)備和量測(cè)方法也各不相同。大部分試驗(yàn)幾乎都沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)是否真正符合原定的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行過檢驗(yàn)。事實(shí)上,許多試驗(yàn)由于試件與墊板之間存在著摩阻力,從而造成了局部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),并不再符合原定的意圖。有的試驗(yàn)在技術(shù)上也并不可靠。因此,各研究者所得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)彼此相差很大。

K.H.Gerstle在1973年—1976年組織實(shí)施了一個(gè)協(xié)作試驗(yàn)方案。由他所在的美國(guó)科羅拉多大學(xué)實(shí)驗(yàn)室用同一材料澆筑了一批試件(有立方體、平板及圓柱體),分別由美、英、聯(lián)邦德國(guó)、意大利等7個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)室在相同齡期下進(jìn)行試驗(yàn)。這樣就排除了不同材料和不同強(qiáng)度等因素所造成的影響。試驗(yàn)結(jié)果證明,差異主要是由于實(shí)驗(yàn)手段的不同引起,即主要是由試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)與試件之間的邊界約束條件的不同引起。7個(gè)實(shí)驗(yàn)室的加荷系統(tǒng)分別采用了未涂油的剛性墊板、剛性承壓板上涂滑潤(rùn)劑或加墊硫化鉬聚乙烯等無摩擦墊片、刷狀承壓板、液體柔性膜襯墊、橡膠墊片上有16個(gè)鋼活塞的柔性承壓板、圓柱體的標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)等。由試驗(yàn)得知,借助滑潤(rùn)、刷子、液墊等可使試件表面摩阻約束降低的情況,較之有摩阻約束的情況,其強(qiáng)度要大大降低。

2 雙軸加載下的混凝土強(qiáng)度研究

用特制的刷形承壓板(具有許多斷面為3 mm×5 mm、長(zhǎng)為100 mm～140 mm的鋼刷)作為約束工具,以克服試件表面的摩阻約束,對(duì)200 mm×200 mm×50 mm的混凝土板進(jìn)行了雙向受壓、一壓一拉及雙向受拉的雙軸應(yīng)力試驗(yàn)。混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度分別為19.1 N/mm2，31.1 N/mm2及59.4 N/mm2三種。試驗(yàn)中選用了不同的應(yīng)力比α=σ1/σ2。試驗(yàn)表明：

1)在單向受壓試驗(yàn)中,形成許多平行于荷載方向的微裂縫。試件破壞時(shí),形成一條與荷載方向成30°角的主要裂縫。

2)在雙向受壓時(shí),平行試件的自由面,發(fā)生類似的微裂縫。破壞時(shí),發(fā)展成與自由面成18°～27°角的主要裂縫。

3)在拉、壓組合作用時(shí),只要拉應(yīng)力小于壓應(yīng)力的1/15,則裂縫類似于雙向受壓試件。在更高的拉應(yīng)力時(shí),則在垂直于主拉應(yīng)力方向上發(fā)生簡(jiǎn)單的拉裂(斷裂)。

4)在雙向受拉時(shí),也在垂直主拉應(yīng)力方向上發(fā)生拉裂。兩個(gè)主拉應(yīng)力相等時(shí),拉裂的位置沒有一定,但裂縫總是垂直于試件自由面。

3 雙軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，已提出不少混凝土雙向受力時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式，主要有下列幾種：

1)Kupfer和Gerstle公式。

(1)

σ1c=ασ2c

(2)

(3)

σ1t=ασ2c

(4)

一拉一壓 (-∞<α<-0.17):σ2c≤0.65fc

(5)

σ1t=ft

(6)

雙向受拉:σ1t=ft

(7)

σ2t=ft

(8)

其中，σ1c,σ2c,σ1t,σ2t相應(yīng)為σ1及σ2方向的混凝土抗壓及抗拉強(qiáng)度;fc,ft分別為混凝土單軸抗壓及抗拉強(qiáng)度,在此取ft=0.3f2/3,N/mm2；α為兩向主應(yīng)力比，α=σ1/σ2。

2)Liu,Nilson和Slate雙向受壓公式。

(9)

σ1c=ασ2c

(10)

0.2≤α≤1.0σ2c=1.2fc

(11)

3)Nelisson公式。

雙向受壓:

(12)

(13)

一拉一壓：

(14)

雙向受拉：

σ1t=ft=0.055fc

(15)

[1] Bertero V.V.State of the Art Report on Design Criteria,Porc.llth World Conf.Earthquake En-grg.Mexico.1996.

[2] Bertero V.V.The Need for Multi-Ievel Seismic Design Criteria,Porc.llth World Conf.Earthquake Eng.Mexico,1996.

[3] Otani Recent Developments in Seismic Criteria of Japan,Proc.llth World Conf.Earthquake Eng.Mexico,1996.

[4] GB J11—89,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Studyonconcretestrengthunderbiaxialstress

HeHairong

(ShazhouPolytechnicalInstituteofTechnology,Zhangjiagang215600,China)

The concrete strength under different stress conditions such as biaxial compression, pulling-pressing and dual tension is analyzed in this paper. Bearing performances under different boundary constraint conditions are compared and relative formulations are offered to make a reference for engineering technicians.

bi-axis, stress, concrete strength, boundary constraint

1009-6825(2017)32-0027-02

2017-09-06

何海榮(1977- )，男，副教授，一級(jí)注冊(cè)建造師，注冊(cè)安全工程師

TU311

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