（岩土工程专业论文）几种平面应变加载路径下混凝土本构关系的试验研究.pdf

中文摘要 混凝土在多轴应力下的破坏准则和本构关系的试验研究已有许多成果，但大 多仅适用于单调比例加载的情况。本文针对混凝土材料进行了一种加载路径中包 含对应变反馈控制的复杂加载路径的试验研究在球量荷载下，恒侧向变形路 径单调比例加载的试验研究。本文分如下五章： 第一章是绪论，阐述了本课题的背景和意义：综述了混凝土本构关系试验研 究的国内外发展现状，在此基础上提出了本文的工作和内容。 第二章介绍了试验的设计、试件的制备、试验装置及操作过程。 第三、四章根据在等球量荷载或不同球量荷载下，恒侧向变形路径单调比例 加载的试验数据及量测的应力一应变全曲线，总结了两种情况下混凝土强度和变 形、应力路径特征、应力一应变曲线、体积变形、泊松比、材料的各种模量参数 等规律，并验证传统强度准则对于本项试验特殊加载路径的适用性，为进一步研 究提供了试验依据。 第五章为结论和展望，总结了本文完成的主要成果和相应结论，指出了在本 文研究基础上需要进一步开展的几个问题。 关键词：混凝土本构关系球量荷载强度变形体积变形泊松比 a b s t r a c t a l t h o u g hm a n ye x i e r i m e n t a lr e s u l t si nf a i l u r ec r i t e r i o na n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o no f c o n c r e t eh a v eb e e nr e p o r t e d ，m o s to ft h e mw e r eo n l ya p p l i c a b l et os i m p l ep r o p o r t i o n a l m o n o t o n i cl o a d i n g n et h e s i sd e a l sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p so fc o n c r e t eu n d e ro n ek i n do fc o m p l e xl o a d i n gp a t ht h a tc o n t a i n st h e f e e d b a c kc o n t r o lo fs t r a i m 呻r o p o r t i o n a lm o n o t o n i c l o a d i n gp a t h w i t hc o n s t a n t c o n f i n i n gd e f o r m a t i o nu n d e rs t r e s ss p h e r i c a lt e n s o r t h et h e s i si n c l u d e sf i v ec h a p t e r sa s f o l l o w s 1 1 圮f i r s tc h a p t e ri sp r e f a c e i te x p o u n d st h es i g n i f i c a n c eo f t h i ss t u d ya n dt h er e l e v a n t l i t e r a t u r e s m e a n w h i l et h eh i s t o r i c a la n dp r e s e n tb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ho f e x p e r i m e n ta n dt h e o r yp l a i nc o n c r e t ei si n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y b a s e do nt h e i n f o r m a t i o n , t h eo b j e c t i v e so f t h i sp a p e ra r ep u tf o r w a r d n 圮s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e s d e s i g no fe x p e r i m e n t p r e p a r a t i o no fc o n c r e t e s p e c u n e n s ，t e s ts y s t e ma n do p e r a t i n gp r o c e d u r e 1 1 l et l l i r da n df o u r t hc h a p t e r sa r eb a s e do nt h et e s td a t u ma n dc o m p l e t es t r e s s s t r a i n c u r v e su n d e rp r o p o r t i o n a lm o n o t o n i cl o a d i n gp a t hw i t hc o n s t a n tc o n f i n i n gd e f o r m a t i o n u n d e ri s o m e t r i cs t r e s ss p h e r i c a lt e n s o ro rv a r y i n gs t r e s ss p h e r i c a lt e n s o r n l cb a s i c r e g u l a r i t i e so ft h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sp a t h , s t r e s s s t r a i nc l l l w c s ，v o l u m e t r i cd e f o r m a t i o n ，p o i s s o nr a t i oa n dm a t e r i a lm o d u l u sa r e s u m m a r i z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n d i t i o n a lf a i l u r ec r i t e r i o n i s a p p l i c a b l et ot h el o a d i n gp a t hi nt h i st h e s i s n et h e s i sp r o v i d e st h ee x p e r i m e n tb a s i sf o r t h ef u r t h e ra n a l y s i s n l cf i f t hc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o n 1 1 1 em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r e s u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h i sf i e l di sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：c o n c r e t ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s t r e s sd e f o r m a t i o n s p h e r i c a l t e n s o r s t r e n g t h v o l u m e t r i cd e f o r m a t i o np o i s s o nr a t i o 主要符号表 口：y 轴向荷载与x 轴向荷载的加载比例( p y ：p x ) 夕：加载比例口的比值 z ：减摩单轴抗压强度 d 乞：试件达到峰值时的八面体正应力 吃：试件达到峰值时的八面体剪应力 f 。：对应于试件达到峰值时的吒按过镇海五参数准则计算得出的八面体剪应力 口：峰值时应力的相似角( 将以q 在平面上的投影轴为起点向c r 2 在平面上的 投影轴转动的逆时针方向定义为目的方向) 叩：陋一f 。i 吃的值 勺：y 轴向的峰值应变 叱：相应于u y b p y 曲线结束峰值开始进入软化下降段时的应变值 o o ：八面体正应力 ：八面体剪应力 ：八面体正应变 ，。：八面体剪应变 白：体积变形临界应变即在体应变曲线上由体积压缩转向体积膨胀的临界体应变 ( 发生扩容现象时的体应变) 致谢 本文是在导师王哲老师的精心指导下完成的。两年多来，导师对我在生活上 备至的关心，在学习上热情耐心的指导，都将让我终身难忘。和导师的每一次交 流都让我受益匪浅，导师的每一句话，字字铭刻在我的心里。导师忘我的敬业精 神、朴素的生活作风、认真严谨的治学态度，渊博的知识和高尚的情操，深深地 感染了我，在我的灵魂里留下了永久的烙印，将不断激励我踏踏实实地前进。值 此论文完成之际，谨向导师致以最真诚的谢意，祝导师身体健康，万事如意! 感谢大连理工大学结构试验室的刘毅老师、宋元成老师、张可顺老师和王志 刚老师对试验工作的大力协助! 衷心感谢大连理工大学土木水利学院朱榆博士和好友胡忠璜硕士对我试验阶 段的大力支持力和无私帮助，感谢李趁趁、王冰、尚作庆、刘健、沈威等博士在 试验中给我的指导。 感谢同门魏昶帆、李丽、孟伶俐、任建伟，孙彩红给予我的热情指导和帮助。 感谢在我攻读硕士研究生期间给予我帮助和鼓励的兄弟姐妹们，他们是：唐 智伟、魏英华、袁正辉、李业龙、黄宝龙、刘运生、王彪、齐曲、曲军彪、王伟 峰、毕俊丽、黄璐等人及土木0 4 级研究生一班和2 0 8 实验室的所有同学，祝你们 学业有成，事业辉煌! 最后感谢赐予我身体发肤、哺育我成长的父母，这么多年他们默默地支持我， 鼓励我，使我能够专心读书，完成学业。祝你们身体健康，平安幸福。 j e立奎望太坐亟 堂焦 监 奎 绻 监 1 1 前言 l 绪论 混凝土是当今工程建设中应用最广泛的一种建筑材料。如何充分发挥其力学 性能已经成为现代科学研究的重点。以往由于受实验设备及实验手段的限制，混 凝土材料力学特性研究多局限于单轴受力状态，其相应的设计方法多依据线弹性 分析及材料单轴强度准则，远不能满足现代工程( 如大型水坝、核反应堆安全壳 和压力壳、海洋采油平台等) 的设计需要，因为这类结构大都是在非线性复杂应 力状态下工作的，其力学性能与单轴力学性能差别较大。因此，研究混凝土在复 杂应力状态下的本构关系，对于认识这类结构的工作状态和受力特性，保证结构 的安全使用是十分必要的，对该类结构的合理设计也是迫切需要的，同时正确的 应用这方面的研究成果，会带来十分明显的技术和经济效益。 混凝土本构关系的研究应该由实验和经验观察到的特性出笈，在某些理论的 假设下，找出描述介质力学性质的表达式。迄今主要有两大流派：一是根据材料 反映的基本特性，以连续介质力学为基础，抓住介质在某方面的特性而作简化假 定，以此建立本构关系，是对真实介质的一种理想化。由于该类本构关系是在经 典理论基础上，根据已知的混凝土力学特性，趋子构造新的、复杂的模型，这类 被称为侧重理论派；二是以试验数据为出发点，通过对试验数据的近似拟合的方 式给出经验表达式，来反映材料的特性。它所得出的是描述介质特性的准确关系 式。该类本构关系是以试验为基础，建立各种经验型模型，以求形式简单，此类 为侧重试验派。前者虽然极大丰富了材料的本构理论，但大部分仍是直接套用了 经典理论的特殊假设和概念，没有很好的反映混凝土的真实机理，后者以简单化 优于前者，但很多仅是符合某些试验结果并不能很好的反映材料的本构特性。从 哲学角度可知，在本构关系的研究中试验研究是第性的，只有通过材料的真实 响应和试验现象得到启发，结合适用的理论假设，才能建立出会理完善的本构关 系。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 从1 9 0 0 年，德国学者a f o p p l 进行了砂浆的双轴抗压强度试验以来，虽然混 凝土多轴试验技术的难度很大，但仍取得了许多宝贵的成果，有些成功的试验数 据也被引用至今。包括1 9 2 8 年美国学者r i c h a r d 完成了混凝土圆柱体试件的常规 三轴 的受压试验。k u p e r 等在1 9 6 8 年得出了比较全面的各种应力比下 双轴混凝土强度的试验结果【l 】，随后由k u p e r 和g e r s t l e ( 1 9 7 3 年) 又给出了双轴强 度包络线的表达式【2 】。在美、英、德、意四国七所研究机构德联合研究项目中，由 g e r s t l e 等进行了混凝土多轴强度与变形试验m 。v a nm i e r 完成的三轴复杂受力条 件下( 包括等应力比加载、等应变比加载及反复荷载) 有软化段的应力一应变全 曲线的试验研究【4 】。及s a l a m i 和d e s a i 对不同加载路径下的混凝士多轴变形特征 的试验研究【s 】。八十年代以来，由于非比例加载路径的无限多样性和试验技术的高 度复杂性，系统深入的研究混凝土在不同加载路径下的多轴强度与变形特性十分 困难。国外有关这方面的研究尚不多见，只有几种简单的非比例加载试验结果【4 l 【6 】； 在此期间，一些学者对复杂荷载历史作用下混凝土强度变化的试验进行了研究。 如m e i e r 7 1 等人用立方体试块，先历经多轴荷载作用，再从中切取圆柱体核心做劈 裂试验，用以研究在给定荷载情况下韵强度劣化闳题。d e l i b e s s l 等人用圆柱体试件 先经受单轴受压试验，卸载后再测劈拉强度，并且比较了单调加载和循环加载情 况下的不同。d j c o o k 唧和c h i n d a r a s i r t l l o l 也研究了荷载历史对抗压、抗拉强度的影 响，荷载历史包括持续恒定荷载和微幅循环荷载作用。另外，近阶段也有许多其 他国外的学者取得了卓越的成绩【1 1 】【，为在这一领域贡献着自己的力量。 t 2 2 国内研究现状 八十年代初，国内也开展混凝土多轴受力状态下的试验研究，最早是清华大 学在对单辘拉、压的混凝土应力一应变逝线全面研究基础上【4 1 坫1 ，进行了多轴 受力条件下混凝土强度和变形的系统的试验研究1 6 1 1 7 】【1 8 1 。大连理工大学于八十年 2 a e塞窑煎去堂亟堂僮迨塞绮监 代末在自行研究的多功能混凝土三轴试验机上进行了大量的有关混凝土、轻骨料 混凝土、钢纤维混凝士的变形和强度试验【1 9 1 ，而且包含了目前国内外均较少开展 的三向受拉及平面应变状态下的压一压及拉一压状态，同时进行了全级配大骨料 混凝土大尺寸试件在平面拉一压状态下的变形和强度试验，并在此基础上建立了 相应的本构关系、破坏准则和内时损伤本构模型【2 0 1 【2 1 1 。在复杂的非比例加载路径 研究上，学者宁杰嘲通过试验研究了双轴受力情况下荷载比变化时，混凝土的响 应特征及比例与非比例交替加载下混凝土的变形响应。清华大学揽生瑞博士【2 3 1 选 择了定侧压拉长型路径和定侧压压缩型路径两种加载路径，对混凝土三轴受压的 强度及变形特性进行了试验研究，指出了三轴定侧压受力时混凝土的变形特性。 大连理工大学的遂静涌 2 4 , 1 采用立方体试块，先经三轴受压荷载作用后，分别在 峰值前、峰值和峰值后卸载，再测取竖向和侧向的单轴抗压强度和劈拉强度，以 侧向应力和最大竖向应变二者的组合来表征所经历的荷载历史，分别以抗压强度 的劣化和抗拉强度的劣化来研究球量荷载历史对混凝土的影响。在此试验研究的 基础上，林皋、王哲例提出了能考虑应力球量荷载历史的混凝土强度准则，指出 了传统强度准则所适用的荷载历史范围，同时还系统的研究和分析了各种加载路 径对强度损失的影响。此外还有许多有关成果，详细情况可见文献【2 7 】 2 8 】【2 9 】。 1 2 3 简单评价 综合分析现有的试验成果，对混凝土在多轴受力状态下的性能，在下面几点 以取得共识： 1 、无论采用何种试验方法，混凝土在多轴受力状态下所量测的强度和变形都 具有一定的离散性，这可由多国试验结果得以证实p o l 。 2 、混凝土破坏曲面形状的几何特征为：曲面连续、外凸、对静水应力轴三折 对称，在三向受拉区有封闭顶点，对三向受压区开口，静水压力可无限增大但混 凝土八面体剪应力有极值。 3 、在不同应力比作用下，混凝土有不相同的破坏形态。可分为拉断、柱状压 坏、片状劈裂、斜剪破坏和挤压流动等五种典型破坏形式 2 7 1 。 3 j g塞銮擅 太堂亟堂僮途塞绪论 4 、在各种受力下，混凝土的应力一应变关系表现为非线性关系，在变形过程 中有不可恢复( 塑性) 变形产生。 5 、在受力过程中，混凝土内部损伤不断累积，如再加载刚度不断降低，表现 出明显的弹塑性耦合特性。 6 、在侧向压力不大的情况下，混凝土在峰值应力后表现出应变软化的特性， 并出现受压体积膨胀的现象。 同时在试验工作中，有一些闯题 2 3 1 需要引起重视： ( 1 ) 、从受力特性看，多轴受压状态下的试验相对较多，而拉压状态的试验很 少。 ( 2 ) 、从加载形式看，比例加载的试验相对较多，而非比例加载，不同应力路 径情况下的试验甚微。 ( 3 ) 、从加载机制看，单调加载试验较多，而反复加载的试验很少。 ( 4 ) 、从加载范围看，绝大多数试验仅限于应力一应变曲线的上升段，获得下 降段曲线的试验甚微。 ( 5 ) 、以往的混凝土多轴受力试验多偏重于强度试验研究，变形量测的试验相 对较少。 由上面的分析可以看出，从试验研究的角度，混凝土的本构关系的研究还很 不成熟。然而现代实际工程结构以趋于复杂化，往往结构是处在复杂多变的应力 及变形条件下。此外，结构承受的荷载经常有不规则的卸载和再加载过程，混凝 土的应力更不可能单调比例的增长。结构中混凝土的实际应力途径必然是复杂多 变。对于非线性的混凝土材料而言，从一种最简单的应力途径单调、比例加 载试验中所得到的规律和结论，能否适用于各种多变的应力途径还有待于进 一步的理论分析和试验验证。这一系列的问题的解决既要靠科学水平的不断提高， 也要靠研究者们的长期艰辛的努力。 4 韭立銮适 盔 堂亟主堂僮淦：塞结监 1 3 本文工作 从概念上说，本构关系是描述材料力学性质的一般表达式。就狭义来说，本 构关系通常是指应力一应变关系。本文通过真三轴静态加载试验，对素混凝土材 料在一种复杂加载路径下的力学特性和应力一应变关系进行了试验研究。 本文研究内容和成果包括：( 1 ) 混凝土立方体试件进行等球量荷载下，恒侧向 变形路径的单调比例三轴加载，先三个轴向等比例加载到设定的目标值p ( 即先 施加设定的球量荷载) ，然后保持一个轴向变形恒定，另外两轴向以控制荷载保持 不同比例进行单调加载，来研究此条件下混凝土力学特性( 第三章) 。( 2 ) 混凝土 立方体试件进行不同球量荷载下，恒侧向变形路径的单调比例三轴加载，先三个 轴向等比例加载到设定的不同目标值p ( 即先施加设定不同的球量荷载) ，然后保 持一个轴向变形恒定，另外两轴向以控制荷载保持同比例进行单调加载，来研究 此条件下混凝土力学特性( 第四章) 。 1 4 本文创新点 与以往的混凝土多轴试验研究工作相比，本研究具有以下创新点： ( 1 ) 在试验前对试验设备进行了为期将近一年时间的改造调试并重新设计控 制算法及控制程序( 参与了部分程序的编写) 。 ( 2 ) 以往的混凝土多轴试验比例加载一般都是在加载开始就从三个方向对混 凝土试件比例压缩或两个方向维持力不变另一方向进行压缩试验。本文则是先三 个轴向等比例加载到设定的目标值p ( 即先施加设定的球量荷载) 后，然后保持 一个轴向变形恒定，另外两轴向以控制荷载保持不同比例进行单调加载，而加载 比例包括两个方向同时压缩和一个方向压缩、另一方向拉伸一压一拉的加载情 况控制难度很大，可能发生控制精度不满足要求或拉伸轴向在加载过程中离开试 件，所以本文较以往只比例加载研究有所突破，并为应力与应变复合加载路径下 混凝土力学性能的研究提供一定的思路和可行性。 ( 3 ) 试验数据离散性小，重现率高，试验结果可靠。通过合理的试验方法、 拙塞窑通 太 堂亟堂焦逾塞绮监 预加载的处理、加载过程的设计以及试验材料的备置、试件的加工等，控制了试 验结果的离散性。 6 韭夏变通态堂亟芏鱼监塞达壁扭逸 2 1 试验设计 2 i i 试件参数 2 试验概况 本次试验设计的素混凝土试件为l o o m m xl o o m m l o o m m ，试件规格、数量、 配合比等参数如下列表2 1 、2 2 所示。 表2 1 试件设计列表 试件规格( 单位：) 试件数量 试件用途 1 0 0 1 0 0 x1 0 02 9 试验用的主系列试件 1 0 0 1 0 0 x1 0 05 测定混凝土立方体抗压强度 表2 2 摁凝土试验用配合比表 配合比1 m 3 材料用量( k g ) 消泡剂水灰坍落度 ( 水泥：砂：水 砂石水 ( ) 比 ( e m ) 石：水)泥 l ：1 8 9 ：3 0 6 ： 3 6 46 8 81 1 2 32 2 50 10 6 1 88 o 6 1 8 注；消泡剂o i 是占水泥重量的o 1 。 2 1 2 试验内容及要求 本文试验的主要内容及要求有： ( 1 ) 将一组五个l o o m m l o o r n m xl o o m m 的素混凝土试件，在6 0 吨压力机 上分别测出单轴抗压强度，然后求平均，得到这批试俘的单轴抗压强度 7 韭塞銮逼盍堂亟堂焦途塞这验援选 z = 3 5 i m p a ( 减摩) 。 ( 2 ) 对一批混凝土立方体试件进行等球量荷载下，恒侧向变形路径的单调比 例三轴加载，先三个轴向等比例加载到设定的目标值p ( 即先施加设定的球量荷 载) ，然后保持一个轴向变形恒定，另外两轴向通过控制荷载保持不同比例( 见表 2 | 3 ) 进行单调加载，来研究此条件下混凝土力学特性( 第三章) ，通过在同一球量 荷载下的定侧向变形和另外两轴向保持不同比例，这一应力与应变复合加载路径 下混凝土力学特性的研究，分析传统强度准则对该加载路径的适用性及变形的特 征，总结了应力应变曲线特点及该加载路径在应力空间和应变空间的响应特性 等。 表2 3 加载比例口设定值 i 球量荷载p ：1 0 肝a 另两轴向p y ：p x ( 口) i i z 轴恒变形1 ：0 11 ：0 0 5i ：一0 0 51 ：- o 1 ( 3 ) 对另一批混凝土立方体试件进行不同球量荷载下，恒侧向变形路径的 单调比例三轴加载，先三个轴向等比例加载到设定的不同目标值p ( 即先施加设 定不同的球量荷载( 见表2 4 ) ) ，然后保持一个轴向变形恒定，另外两轴向以控制 荷载保持同比例进行单调加载，来研究此条件下混凝土力学特性( 第四章) ，通过 不同球量荷载下的定侧向变形和另外两轴向保持同比例，这一应力与应变复合加 载路径下混凝土力学特性的研究，分析传统强度准则对该加载路径的适用性及变 形的特征，总结了应力一应变曲线特点及该加载路径在应力空间和应变空间的响 应特性等。 表2 4 不同的球量荷载值 i i p y ：p x = l ：- o 1球量荷载p ( m p a ) i iz 轴恒变形 1 01 52 0 8 韭塞銮适太堂鲤堂焦j 幺塞达鉴拖猩 2 2 试件制备 由于本人没有参与试件的制各，2 2 节的主要内容及文字摘于【魏昶帆的论文】。 2 2 1 材料选用 本次试验所采用的水泥为中国建筑材料科学研究院监制北京兴发水泥有限公 司生产强度标号p i l 4 2 5 r 和p 0 4 2 5 r 的普通硅酸盐水泥( 由于两种水泥的生产厂 家相同) 。试验共购置2 0 袋水泥，每袋5 0 千克。为保证离散度要求即防止袋与袋 之间水泥的轻微差别，从每袋中取出等质量水泥用强制式搅拌机拌和均匀，然后 重新装袋。 试验中由于考虑到拌和物和易性的因素，选用天然砂和人工砂两种细骨料。 人工砂为石粉砂，颗粒级配属于兀级配区，经测量砂子的细度模数t ，= 2 5 ，故为 中砂。天然砂为普逶河砂细度模数较小属于特缅纱。伎用特缅砂能提高拌和物浆 体的局部流动性提高试件的外表面质量及增加拌和物的粘聚性能，使用人工中砂 能保证用砂属于正常级配范围保证混凝土的强度。所购置的人工石粉砂，买回后 为控制含水量的变化，放置于大铁槽中人工拌匀，再装入内部带有密闭压膜的编 织袋中并置于实验室内。天然砂在户外彻底晾干后，取等质量用强制式搅拌机拌 和均匀，再装入内部带有密闭塑料的编织袋中并同样置于实验室内，并在试件生 产过程中随机抽查袋内含水量并做出相应调整。试件制作时测得天然砂子的含水 量为1 2 6 ，因其含水率较低且一直在密闭环境中能保持稳定，可以认为试验过程 中含水率的影响可忽略不计。粗骨料为砂石厂同一批压制，且压制后马上装入压 膜袋中未经露天放置故可满足含水率均匀的要求。石子最大粒径为l o m m 。 由于本试验中拌和物采用磁性振动台振捣，每次振捣两联试件，搅拌机每锅 出料为2 5 l ，可制备7 联试件。 9 2 2 2 试件的制作 试件制作是从2 0 0 5 年1 月1 8 号至1 月2 9 号，整个试件制作过程均在带有隔 热材料的建材实验室进行，温度变化小，利于控制试件制作的环境条件。 ( 1 ) 试件制作：试验采用额定搅拌量为3 0 l 的强制式搅拌机，制作时每次拌 和2 5 l 料，投料顺序为先将砂子与混入消泡剂的水泥拌1 分钟，让消泡剂与水泥 充分接触并拌均；再投入石子拌和1 分钟，最后将水放入拌和1 分3 0 秒。按规范 要求，正式制作前先用相同配合比的7 l 料对搅拌机进行涮膛。 将拌和料分两次装入1 0 0 m m 的立方体钢模中，并人工插捣两次，插捣的方向 按螺旋方向从边缘向中心进行，插捣棒要保持垂直，每层插捣次数不少于l o 次。 人工插捣完毕后拿到磁性振动台上振捣密实。每联振捣时间为2 分钟。 ( 2 ) 试件养护：试件完成后在恒温室静置2 4 小时，然后放入自行设计制作的 增养箱中用4 0 0 c 的水温进行增养2 8 d ，其后在自然条件下养护。 在进行试验前，采用s h m - - 2 0 0 双端面磨石机机械磨平上浇筑面。 2 3 试验设备 本2 3 1 小节主要摘自于大连理工大学宋玉普教授所写的多种混凝土材料破 坏准则和本构关系一书中的部分内容。 2 3 1 多功能混凝土三轴试验系统 1 本文的所有多轴加载试验都是在大连理工大学结构工程实验室的大型静、动三 轴电液伺服试验机上进行的。该试验系统由：加载装置、应变和荷载控制装置、 应变量测装置和数据采集处理装置组成。如图2 1 所示。 l o j e 基銮逼太堂亟堂焦途塞试验拯猩 囱2 1 多功能混凝土三轴试验机 ( 1 ) 加载装置 加载装置包括承力框架、加载头、液压缸、加压泵和荷载测读装置。 三个方向的加载框架组成基本相同，都由4 根直径为9 0 m m 的丝杆与两端的 承力组合钢板连接而成，其一端用于固定液压缸，另一端安置荷载传感器。在液 压缸和荷载传感器上安装带球铰的加载头( 见图2 2 ) 。受压时，为了减少试件表 面与加载块之问的摩擦约束，采用三层塑料薄膜，各层间涂黄甘油减摩措施。试 验证明这可达到较好的减摩效果。竖向承力框架底部带有附加液压缸和弹簧，两 端带有导轨，安装在竖向固定刚架中，附加液压缸的液压大小由竖向的浮重大小 确定。从而保证竖向加载位置及试件上下两面变形的一致，避免了一般试验机竖 向只能使试件上表面压缩、底表面不动而引起的不对称变形。互相正交的两个水 平方向承力框架通过带有滚轮的4 个小车安装在底固定的支承架上。每一向的水 平承力框架都可自由移动，这即便于试件调位，又可使试件两面同时均匀受力。 由于三个方向的承力框架相互独立，且正交，并可沿各自的轴向自由移动，从而 避免了机械限制在试件中的产生的强制应力。 图2 2 带球铰的加载头 液压缸的额定压力为2 1 m p a ，产生的最大压力为2 5 0 0 k n ，最大拉力为5 0 0 k n ， 最高工作频率1 0 h z ，最大行程1 5 0 m m ( 见图2 3 ) 。 液压缸的压力油是由加压泵供给的，现采用小型泵站供给，其技术指标为： 流量1 0 0 l m i n ，压力2 1 m p a 。 图2 3 液压缸 每一向荷载测量都有安装在承力框架组合钢板上的拉压荷载传感器来实现 的。( 见图2 4 ) 。 荷载传感器的额定压力为2 5 0 0 k n ，拉力为5 0 0 k n ，为了根据量测得到的荷载 1 2 韭塞窑煎叁堂亟堂焦监塞达墅攫猩 值控制三个加载方向上的应力比及实现自动采集荷载值，在每一向的荷载传感器 上安装了荷载放大器。 图z ，4 荷载传感器 ( 2 ) 交形量测装置 采用外部量测装置，它是由安装在加载头上的精度为1 a m ，量程为2 0 m m 的 位移传感器( l v d t ) 和放大器组成( 见图2 5 ) ，传感器测得的位移信号经放大器 输送到计算机自动采集。 图2 5 位移传黪器 j e 廛至通鑫茔亟堂僮绝塞这墅摄超 ( 3 ) 荷载和变形控制装置 本系统得荷载和变形均由计算机自动实现。该三轴试验系统具有三套类似得 液压伺服驱动系统，即x 、y 、：三个轴向，每个方向的工作原理基本相同，就是 按试验要求，计算机发出控制过程信号，经d a 接口转换成模拟信号，输入到伺 服控制器，作为输入信号激活阀控制器来驱动伺服阀，使液压作动器向试件加力， 试件产生物理变化，位移传感器检测试件被拉伸或压缩的距离，试件的变形由应 变传感器测出，这三个参量经传感调节器送至反馈选择器，反馈选择器按实验要 求选择一路信号送至液压伺服控制器作为反馈值，形成负反馈闭环控制器，保证 作动器能实时跟踪计算机的给定信号运行。 ( 4 ) 数据采集处理装置 本系统的数据采集由计算机自动实现，三路测试信号( 位移、荷载、应变( 包 括中位移和小位移) ) 经a d 接口转换成数字信号由计算机采集，并作相应的存储 处理。由于采集和存储数据量很大，为了保证准确的存储且又不影响对设备的控 制，画图是由另外的p i c 2 0 1 0 高速采集卡在一台p c 机上完成的。 2 3 2 试验操作过程 对于三轴加载情况，混凝土试件的表面处理对试验结果有很大影响。为此， 本文在正式加载前，对三轴试验用混凝土试件表面进行了加工，方式如下： 清除试件表面的灰尘等杂物，然后采用三层塑料薄膜，各层间涂黄甘油减摩 措施。为了减少试件表面与加载块之间的摩擦约束。( 图2 6 ) 1 4 韭鏖奎塑太堂亟堂焦j 金童达墅摆趁 围2 6 采用三层望，4 薄膜两层黄甘油减摩的试件 多轴试验的主要试验过程如下： ( 1 ) 先检查用于冷却液压油的水槽的水位是否在正常水位线以上，如不在就要 及时蓄水。启动用于试验数据采集处理的工控计算机和用于图形处理的p c 机，运 行三轴试验系统软件，打开多功能混凝土三轴试验机的控制柜电源开关，启动液 压站的低压按钮使之处于低压工作状态，检查三个方向上的6 个测量应变的位移 传感器( l v d d 是否固定好并记录试件号。 ( 2 ) 将n i 后的混凝土立方体试块放在试验机竖向压头上。调节液压缸行程z 轴手动旋钮使加载方向上的加载头尽量靠近( 切勿接触) 试件，调准试件位置。 ( 3 ) 开动液压源并进行升压，使试验机系统处于待机状态 ( 4 ) 操作试验系统软件，选择加载轴、对混凝土试块z 方向进行预加载。本文 预加载速率采用0 2 k n s ，预加载值为0 5 k n 。 ( 5 ) 将另外两个轴向，y 轴) 的加载方向上的加载头，通过手动旋钮调节到 指定位置，分别对x 、y 轴进行预加载。 ( 6 ) 在本试验中为了保证在相同加载工况下定侧向变形轴向变形的起点位置 相同，所以采用微幅循环加载的方式来消除正式加载过程中试件与加载压头之间 的转动。加载方式为替运行3 次微福循环。 ( 7 ) 在一切准备工作及预加载完成后，进行正式加载。操作者在试验过程中， 韭立銮道太堂亟堂僮j 金窑达墅援猩 要注意判断荷载、位移、应变，是否有故障出现，或发现油泵等机器问题或其它 原因导致系统无法正常工作，马上按键盘上任意键，程序检测到信号后，立即停 止运行或者程序制动启用过载保护使设备停止运行。如无异常现象程序将按照中 止条件结束加载。将多功能混凝土三轴试验机降为低压状态。 ( 8 ) 调节油缸运动的手动旋钮使每个加载方向上的加载压头离开试件一定距 离后，取出破坏的混缀土试件。 ( 9 ) 渍理加载头表面。重耨启动软件，安装新钧试件，进入下一轮加载试验。 注：每次试验结束时应先降压后关闭液压源，最后关闭控制柜与计算机。 1 6 j e 廛銮耍太堂瑟堂僮盗毫 簦瑾量殖夔工垣趔自銮丝照焦墼翊出倒加戴鳆毯验硒塞 3 等球量荷载下恒侧向变形路径单调比例加载的试验研究 3 1 引言 随着科学技术的快速发展和人们需求的提高，现代工程设计也不断的发生变 化。如高层建筑、大型水坝、核反应堆安全壳和压力壳、海洋采油平台等这些结 构往往都在非线性复杂应力状态下工作，其力学性能与单轴力学性能的差别较大。 所以，对这些结构在非线性复杂应力状态下工作的力学性能分析，就显得十分重 要了。本章通过真三轴静态加载试验。对素混凝土材料在常温。短时静态加载条 件下，一种复杂加载路径下的力学特性和应力一应变关系进行了试验研究。分析 研究了该复杂加载路径下混凝土强度及变形、应力路径特征、定变形轴向荷载及 体积变形等。 3 2 试验概况 3 2 1 试验内容 本章试验采用边长为i o o m m 的立方体试件，混凝土配合比、材料及制作过程、 试验设备见第二章，实测单轴抗压强度z = 3 5 i m p a ( 减摩) 。 试验的加载方式为：先三个轴向等比例加载到试验设定的目标值p = i o m p a ( 即先施加设定的球量荷载) ，然后达到加载设定p 值时z 轴方向的应变保持 恒定不变，另外两轴向x 和y 通过控制荷载保持不同比例( p y ：p x) 进行单 调加载。本试验设定了四组n 值分别为a = 1 ：0 1 ，1 ：o 0 5 ，1 ：- o 0 5 ，l ：一o 1 。 见表3 ，l 。 袭3 1 加载比例口设定值 l l 荷载p = - l o l d p a 另两轴向p y ：p x ( 盯) i iz 轴恒变形 1 ：0 11 ：0 0 51 ：一o ，0 51 ：一0 1 1 7 a 夏銮煎盔堂亟主堂焦监窑 簦蔓量萄嚣王垣倒自变丝隧筵墼通出倒加载毂达坠班塞 3 2 2 试验说明 ( 1 ) 本试验x ，y 轴向的荷载加载比例以压为正，拉为负。设计了两种比例形 式：压一压，压一拉。 ( 2 ) 考虑至g 加载和交形的对称性，选竖直轴向z 轴作为变形恒定的轴向，x ， y 轴作为按荷载比例加载的加载轴。见图3 1 p z 定变形轴向 p 加载轴向 p v 加载轴向 注；p y ：p x 2 e 图3 1 加载示意图 ( 3 ) 由于需要对z 轴方向的应变u z b 进行控制，为了使相同工况下每次达到 设定p 值时u z b 相同，即对u z b 进行恒定控制时具有相同的起点，采用了如下加 载措施：先采用微幅循环预加载的方式来消除正式加载过程中试件与加载压头之 间的转动，正式加载达到设定p 值时，先过载几兆帕( 随p 值大少而定) 再卸载 回设定的p 值，然后用读秒计时的方法让p 维持在设定值2 0 0 s 再进行下一步加载。 韭基套适盔堂亟堂焦监塞 笠堡量蕴越互垣趔囱变形琏缝望调出趔地载鳆遮坠堑塞 3 3 试验结果的强度及变形分析 3 3 1 强度分析 本文选用过镇海等提出的以八面体应力表示的五参数准则来验证在该复杂加 载路径下传统强度准则的适用性。 过镇海的混凝土统一准则1 3 1 1 1 3 2 】为： 6 s s c 勘” c = 1 2 ，2 4 4 5 ( e o s l 5 0 ) 3 + 7 3 3 1 9 ( s i n l s o ) 2 式中：o o 。置。分别表示达到峰值时的八面体正应力及八面体剪应力，秽为峰值 时应力的相似角( 将以q 在“平面上的投影轴为起点向c r 2 在平面上的投影轴转 动的逆时针方向定义为臼的方向) ，z 为试件单轴抗压强度。 本章试验完成的试件强度结果汇总于表3 2 中，表中吒，砭为试件达到峰值 时的八面体正应力及八面体剪应力，口为峰值时的应力相似角。表中f 。为对应予 试件达到峰值时的吒按过镇海五参数准则计算得出的结果，7 = l 砭一f k f 艺为 试验结果与过镇海五参数准则的羞别。试验强度点在八面体应力子午面内的分布 及与过镇海五参数准则的对比情况如图3 2 所示。试验结果显示，最大误差 ，7 = 5 2 ，没有明显差别。说明传统强度准则在该加载路径下有较好的适用性。 1 9 j e 基塞壅盔堂亟堂毽监銮 笠盈量蕴魏王垣趔囱銮瑷蹬焦整通丝趔加魏鳆试验班峦 试件0 只 噘 口 7 ，7 f a 编号 f m p a )( m p a ) r 衅a ) 】 g 1 1 31 ：0 1 2 2 2 91 4 0 14 6 8 71 9 l1 4 54 8 51 4 82 2 g 1 1 4 l ：o 1 2 1 。9 71 3 i 。74 2 3 51 ，7 61 3 54 9 81 4 25 。2 g 1 0 7l ：0 0 51 5 7 41 2 2 83 8 2 5 1 6 s1 3 2 4 8 4 1 3 5 1 7 h 3 9l ：0 0 5 1 6 1 91 2 0 43 7 6 l1 6 61 2 84 8 71 3 44 2 g 1 0 91 ：_ o 0 55 5 78 3 7 32 3 7 21 0 80 9 44 6 7 0 9 5 o 1 g l l 01 ：0 0 55 5 48 2 6 72 3 1 51 0 6o 9 34 7 20 9 4o 4 g 1 1 21 ：0 14 1 77 6 92 1 6 90 9 8o 8 94 6 70 8 80 9 h 2 4 1 ：o 1 3 5 77 4 51 8 5 5o ，9 2o 8 74 8o 8 51 9 表3 2 试验强度结果表 圈3 2 试验强度结果 随着p ) 【和p y 的加载比例由小到大，由负到正( 比例形式从压一拉到压一压) ， 混凝土的强度有明显的提高，这是由于一个轴向( z 轴) 变形恒定，沿该轴向几乎没 有内部裂缝的传播；另外两个轴向荷载按比例加载，随着加载比例的增大及由压 一拉到压一压的比例形式的变化对裂缝的限制作用也越来越大，因此强度值有较 大幅度的提高。在该应力路径下，试件的破坏形态成剪压破坏，破坏面沿与加载 轴向成一定角度方向出现明显的斜剪破坏裂缝( 图3 3 ) 。 韭豆窑踅太堂亟主茎焦论塞笠蕉量萄戴王垣趔囱銮垄整焦璺通出倒地錾曲这坠硒壅 3 3 2 变形分析 国3 3 破坏形态 表3 3 给出了不同加载比例口下试件y 轴向的峰值应变占，b 为不同加载比 例的比值，由表中的峰值应变和1 3 值绘制出占。1 b 曲线( 图3 4 ) 。由曲线 可知，在该种加载路径下试件的y 轴向峰值应变占，随着加载比例a 对应的1 1 3 从 负值到正值，由小值到大值都有显著的提高，这是由于z 轴向是恒应变的，另两 个轴向随着x 轴向约束的增大，主加载轴y 轴向的峰值应变会明显的提高。回归 分析表明，其关系可用一直线表示： 白= 姐a s 吉 试块编号 口1 3 c h 0 1 1 31 ：o 11 03 0 1 g 1 1 41 ：0 1l o2 8 0 g 1 0 71 ：0 0 52 0 2 1 4 2 h 3 9l ：0 0 5 2 02 1 4 g 1 0 9l ：0 0 52 01 3 4 6 g “o1 ：m 0 5- 2 01 1 8 4 g 1 1 2 1 ：0 1 1 00 9 4 l h 2 4i ：- 0 11 0 0 9 2 表3 3 试验y 轴向应变表 2 1 j e 基銮重盔堂亟堂焦筐室 笠塑量蕴载工垣倒囱变显蹬焦墼调出趔翅魏酸这坠班塞 3 4 应力路径特征分析 图3 4 劫一1 1 3 曲线 本小节通过对不同加载比例n 下，加载过程随加载时间的变化，八面体正应 力d o 、八面体剪应力f 。、相似角口随加载过程的变化规律及d o f 。的关系的 研究，得出了该种加载路径在应力空间的响应特征。 图3 5 ，3 6 为该加载路径下，p y 和p x 加载比例e l = l ：0 1 情况下，加载过程 随时问的变化；图3 7 ，3 8 为加载比例a = l ：o 1 情况下，加载过程随时间的变 化。从图3 5 可以看出p 】( 和p y 加载比例q 为正时，荷载p y 和p ) ( 随时间的变化 曲线趋势是一致的，x 和y 轴向保持一定比铡随时阏的交化一起达到混凝土试件 峰值后，进入软化并趋于残余荷载。 图3 5 加载过程中p x ，p y 的变化规律( g 1 0 7 p y = p x = i ：0 1 ) 韭立銮适态堂亟堂僮论童笠蕉量蕴载王垣倒回变丝蹬焦整调出倒加载殴试验班蕴 圈3 6 加载过程中u z b 的变化规律( g1 0 7 ) 如图3 7 所示，可知p x 和p y 加载比例q 为负时，荷载p y 和p x 随时间的变 化蓝线趋势是相反的，y 轴向荷载开始增大，x 辘向则是减小；当p y 达到最大值， p x 却降为最小值；p y 减小，p x 按一定比例开始增大：最后，p y 和p x 分别维持在 一定值。 图3 7 加载过程中p x ，p y 的变化规律( g 1 1 2