混凝土原理与设计多轴强度PPT课件.ppt

第4章多轴强度和本构关系 4 1试验设备和方法 所有的混凝土多轴试验装置 按试件的应力状态分为两大类 1 常规三轴试验机 s1 s2 s3 或s1 s2 s3 2 真三轴试验装置试验装置的构造见图 在设计混凝土的三轴试验方法和试验装置时 有些试验技术问题需要研究解决 否则影响试验结果的可靠性和准确性 决定三轴试验的成败 主要的技术难点和其解决措施有 1 消减试件表面的摩擦 2 施加拉力 3 应力和应变的量测 4 应力 变 途径的控制 5 试件的尺寸 6 试件受力后的变形过程中 要求三个方向施加的力始终保持居中 不产生偏心作用 4 2强度和变形的一般规律 混凝土的多轴强度是指试件破坏时三向主应力的最大值 用f1 f2 f3表示 相应的峰值主应变为 1p 2p 3p 符号规则为 受拉为正 受压为负国内外发表的混凝土多轴试验资料已为数不少 但由于所用的三轴试验装置 试验方法 试件的形状和材料等都有很大差异 混凝土多轴性能的试验数据有较大离散性 尽管如此 混凝土的多轴强度和变形随应力状态的变化仍有规律可循 且得到普遍的认同 4 2 1二轴应力状态 1 二轴受压 C C 1 0 随应力比例的变化规律为 2 3 0 0 2f3随应力比的增大而提高较快 2 3 0 2 0 7f3变化平缓 最大抗压强度为 1 25 1 60 fc 发生在 2 3 0 3 0 6之间 2 3 0 7 1 0f3随应力比的增大而降低 2 3 1 二轴等压 fcc 1 15 1 35 fc 混凝土二轴受压的应力 应变曲线为抛物线形 有峰点和下降段 与单轴受压的应力 应变全曲线相似 试件破坏时 最大主压应力方向的强度f3和峰值应变 3p 大于单轴受压的相应值 fc p 初始斜率随应力比 2 3增大 双轴压状态下的抗拉延性比单轴压状态下大得多 两个受力方向的峰值应变 2p 3p随应力比例 2 3 而变化 3p的变化曲线与二轴抗压强度的曲线相似 最大应变值发生在 2 3 0 25处 应变 3p在数值上最大 因为在 2 3 0 5 1 0 2 3 0 0 2 只有 2 3 0 25左右 由于 2值适中 限制了该方向的拉断 又不致引起 3方向的突然崩碎 从而使 3方向的峰值应变值 3p最大 沿 1 0应力 方向的突然破坏 沿 2方向的突然脆性拉断破坏 两个受力方向的峰值应变 2p 3p随应力比例 2 3 而变化 3p的变化曲线与二轴抗压强度的曲线相似 最大应变值发生在 2 3 0 25处 应变 3p在数值上最大 因为在 2 3 0 5 1 0 2 3 0 0 2 而 2p由单轴受压 2 3 0 时的拉伸逐渐转为压缩变形 至二轴等压 2 3 1 时达最大压应变 2p 3p 近似直线变化 沿 1 0应力 方向的突然破坏 沿 2方向的突然脆性拉断破坏 混凝土二轴受压的体积应变 v 1 2 3 曲线也与单轴受压体积应变曲线相似 在应力较低时 混凝土泊松比 s 0 5 体积应变为压缩 v 0 当应力达到二轴强度的85 90 后 试件内部裂缝发展 其体积 包括裂缝在内 应变转为膨胀 2 二轴拉 压 T C 2 0 两受力方向的应变值和曲线曲率都较小 近似于单轴受拉曲线 多数试件是拉断破坏 塑性变形小 二轴拉 压试件破坏时的峰值应变 1p 3p 均随拉应力f1或应力比 1 3 的增大而迅速减小 当 1 3 即单轴受拉 时 其极限值为 1p t p 3p t p 体积应变 v 在开始加载时为压缩 因应力增大而出现裂缝 临近极限强度时转为膨胀 3 二轴受拉 T T 3 0 f1 ft 4 2 2三轴应力状态 1 常规三轴受压0 1 2 3或 1 2 3 混凝土常规三轴抗压强度f3随侧压力 1 2 的加大而成倍地增长 峰值应变 3p的增长幅度更大 如 2 真三轴受压 0 1 2 3 混凝土的三轴抗压强度f3随应力比 1 3和 2 3变化如图 其一般规律为 随应力比 1 3 的加大 三轴抗压强度成倍地增长 第二主应力 2或 2 3 对混凝土三轴抗压强度有明显影响 当 1 3 const 最高抗压强度发生在 2 3 0 3 0 6之间 最高和最低强度相差20 25 当 1 3 const时 若 1 3 0 15 则 2 1时的抗压强度低于 2 3时的强度 即图中 1 3等值线的左端低于右端 反之 若 1 3 0 15 等值线的左端高于右端 3 三轴拉 压 T C C T T C 有一轴或二轴受拉的混凝土三轴拉 压试验 技术难度大 已有试验数据少 且离散度大 其一般规律为 任意应力比下的混凝土三轴拉 压强度分别不超过其单轴强度 即T C C T T C 随应力比 1 3 的加大 混凝土的三轴抗压强度f3很快降低 第二主应力 2不论是拉 压或应力比 2 3 的大小 对三轴抗压强度f3的影响较小 变化幅度一般在10 以内 混凝土在三轴拉 压应力状态下 大部分是拉断破坏 其应力 应变曲线与单轴受拉曲线相似 4 三轴受拉 T T T 混凝土的三向主应力都是受拉 1 2 3 0 的状况 在实际结构工程中极少可能出现 有关的试验数据极少 文献给出的混凝土三轴等拉强度为 总结混凝土在各种应力状态下的多轴强度和变形性能 可概括其一般规律 多轴强度 多轴受压 C C C C C 强度显著提高 f3 fc 多轴受拉 T T T T T 强度接近单轴抗拉强度 f1 ft 多轴拉 压 T C T T C T C C 强度下降 f3 fc f1 ft 多轴变形 应力 应变曲线的形状和峰值应变值取决于应力状态和其破坏形态 分成三类 拉伸类 同单轴受拉 曲线陡直 峰值拉应变为 1 300 10 6 单 双轴受压 同单轴受压 峰值压应变 3 2 3 10 3 三轴受压类 曲线初始陡直 后渐趋平缓 峰部有平台 峰值压应变为 3 10 50 10 3 4 2 3不同材料和加载途径 上面介绍的混凝土多轴性能一般规律 主要根据强度等级为C20 C50的普通混凝土 在单调比例加载情况下的试验结果所作的概括 其它种结构混凝土 或者不同加载途径下的多轴性能 现有的试验研究资料尚少 虽然有些问题已有初步的定性结论 但完整的规律和准确的定量还有待进一步的试验研究 1 高强混凝土 C50 的多轴试验结果表明 其多轴抗压 C C C C C 强度的相对值 f3 fc 随其强度等级的增高而减小 在二轴受拉 T T 和拉 压 T C 应力状态下的强度相对值 f1 ft f3 fc 则与混凝土强度等级的关系不明显 2 加气混凝土和轻骨料混凝土的强度较低 性脆质疏 虽然其二轴抗压强度均大于相应的单轴抗压强度 但提高的幅度都小于普通混凝土的值 3 钢纤维混凝土三轴性能试验研究 在多轴受压 C C C C C 应力状态 钢纤维混凝土极限强度的相对值 f3 fc 应力 应变曲线的形状等都与普通混凝土的接近 在多轴拉 压 T C T C C T T C 应力状态下 钢纤维混凝土的强度相对值 f3 fc 和峰值应变值等都超过普通混凝土 钢纤维体积含量 Vf 对于钢纤维混凝土多轴强度和变形的影响 类似于它对其单轴性能的影响 从这几种结构材料的多轴试验结果 可看到一共同规律 混凝土类材料的性质越 脆 即塑性变形发展较少者 其多轴抗压强度提高的幅度越小 反之 脆 性小 即塑性变形较大者 多轴抗压强度的提高幅度大 4 3典型破坏形态及其界分 1 拉断 主要是主拉应力 1作用 主拉应变 1超过极限拉应变 1p 2 柱状压坏当 3的绝对值远大于另 1 2时 沿两个垂直方向产生拉应变 1 2 0 3 片状劈裂主应力 2为压 且能阻止在 2的垂直方向发生受拉裂缝 沿 1方向产生较大的拉应变 1 4 斜剪破坏 1 3 较大 有剪切错动的痕迹 5 挤压流动 1和 2都大 三方向的主应变均为压缩 在很高的压应力作用下 混凝土内的部分水泥砂浆和软弱粗骨料将因更高 且不均匀的微观应力而发生局部破碎 产生很大的压缩变形和剪切移动 试件的塑性变形大增 如果从混凝土破坏过程的主要受力原因和裂缝的特征分析 可归纳为两种基本破坏形态 主拉应力产生的横向受拉裂缝引发的拉断破坏 主压应力产生的纵向劈裂裂缝引发的破坏