在雙軸應力狀態下混凝土強度的研究

何 海 榮

(沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600)

在雙軸應力狀態下混凝土強度的研究

何 海 榮

(沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600)

對混凝土在雙向受壓、一拉一壓、雙向受拉等應力狀態下的強度開展分析，對比了在不同邊界約束條件下的受力性能，給出了相應的計算公式，供工程技術人員參考。

雙軸,應力,混凝土強度,邊界約束

1 概述

在19世紀中葉，出現了混凝土這種新型的建筑材料。在1896年,德國人弗·奧托就提出過混凝土三向受壓的破壞特性,1904年他曾進行過第一次三向受壓試驗。Von Korman在1910年作了三軸向圓柱體試驗。但系統的實驗研究都是20世紀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、實心圓柱體，立方體等。其中立方體試件能覆蓋全部主應力狀態,其他試件只能覆蓋主應力空間的一小部分(見圖1)。而且只有扭轉試驗能產生直接剪應力,其他方法均不能改變主應力軸的方向。

迄今為止,國外進行的2 000多個多軸向受力的試件,尺寸大小不一,大的邊長400 mm,小的只有50 mm。試驗裝置、加力設備和量測方法也各不相同。大部分試驗幾乎都沒有對實驗是否真正符合原定的應力狀態進行過檢驗。事實上,許多試驗由于試件與墊板之間存在著摩阻力,從而造成了局部復雜的應力狀態,并不再符合原定的意圖。有的試驗在技術上也并不可靠。因此,各研究者所得出的實驗數據彼此相差很大。

K.H.Gerstle在1973年—1976年組織實施了一個協作試驗方案。由他所在的美國科羅拉多大學實驗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、聯邦德國、意大利等7個著名的實驗室在相同齡期下進行試驗。這樣就排除了不同材料和不同強度等因素所造成的影響。試驗結果證明,差異主要是由于實驗手段的不同引起,即主要是由試驗機系統與試件之間的邊界約束條件的不同引起。7個實驗室的加荷系統分別采用了未涂油的剛性墊板、剛性承壓板上涂滑潤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個鋼活塞的柔性承壓板、圓柱體的標準三軸試驗等。由試驗得知,借助滑潤、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,其強度要大大降低。

2 雙軸加載下的混凝土強度研究

用特制的刷形承壓板(具有許多斷面為3 mm×5 mm、長為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200 mm×200 mm×50 mm的混凝土板進行了雙向受壓、一壓一拉及雙向受拉的雙軸應力試驗。混凝土的單軸抗壓強度分別為19.1 N/mm2，31.1 N/mm2及59.4 N/mm2三種。試驗中選用了不同的應力比α=σ1/σ2。試驗表明：

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

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

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

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

3 雙軸應力狀態下混凝土強度計算公式

根據試驗結果，已提出不少混凝土雙向受力時的強度計算公式，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相應為σ1及σ2方向的混凝土抗壓及抗拉強度;fc,ft分別為混凝土單軸抗壓及抗拉強度,在此取ft=0.3f2/3,N/mm2；α為兩向主應力比，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,建筑抗震設計規范[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，一級注冊建造師，注冊安全工程師

TU311

A