在双轴应力状态下混凝土强度的研究

何 海 荣

(沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600)

在双轴应力状态下混凝土强度的研究

何 海 荣

(沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600)

对混凝土在双向受压、一拉一压、双向受拉等应力状态下的强度开展分析，对比了在不同边界约束条件下的受力性能，给出了相应的计算公式，供工程技术人员参考。

双轴,应力,混凝土强度,边界约束

1 概述

在19世纪中叶，出现了混凝土这种新型的建筑材料。在1896年,德国人弗·奥托就提出过混凝土三向受压的破坏特性,1904年他曾进行过第一次三向受压试验。Von Korman在1910年作了三轴向圆柱体试验。但系统的实验研究都是20世纪50年代以后开始的。研究者曾采用过不同形状的试件,如空心圆柱体、正方形板、实心圆柱体，立方体等。其中立方体试件能覆盖全部主应力状态,其他试件只能覆盖主应力空间的一小部分(见图1)。而且只有扭转试验能产生直接剪应力,其他方法均不能改变主应力轴的方向。

迄今为止,国外进行的2 000多个多轴向受力的试件,尺寸大小不一,大的边长400 mm,小的只有50 mm。试验装置、加力设备和量测方法也各不相同。大部分试验几乎都没有对实验是否真正符合原定的应力状态进行过检验。事实上,许多试验由于试件与垫板之间存在着摩阻力,从而造成了局部复杂的应力状态,并不再符合原定的意图。有的试验在技术上也并不可靠。因此,各研究者所得出的实验数据彼此相差很大。

K.H.Gerstle在1973年—1976年组织实施了一个协作试验方案。由他所在的美国科罗拉多大学实验室用同一材料浇筑了一批试件(有立方体、平板及圆柱体),分别由美、英、联邦德国、意大利等7个著名的实验室在相同龄期下进行试验。这样就排除了不同材料和不同强度等因素所造成的影响。试验结果证明,差异主要是由于实验手段的不同引起,即主要是由试验机系统与试件之间的边界约束条件的不同引起。7个实验室的加荷系统分别采用了未涂油的刚性垫板、刚性承压板上涂滑润剂或加垫硫化钼聚乙烯等无摩擦垫片、刷状承压板、液体柔性膜衬垫、橡胶垫片上有16个钢活塞的柔性承压板、圆柱体的标准三轴试验等。由试验得知,借助滑润、刷子、液垫等可使试件表面摩阻约束降低的情况,较之有摩阻约束的情况,其强度要大大降低。

2 双轴加载下的混凝土强度研究

用特制的刷形承压板(具有许多断面为3 mm×5 mm、长为100 mm～140 mm的钢刷)作为约束工具,以克服试件表面的摩阻约束,对200 mm×200 mm×50 mm的混凝土板进行了双向受压、一压一拉及双向受拉的双轴应力试验。混凝土的单轴抗压强度分别为19.1 N/mm2，31.1 N/mm2及59.4 N/mm2三种。试验中选用了不同的应力比α=σ1/σ2。试验表明：

1)在单向受压试验中,形成许多平行于荷载方向的微裂缝。试件破坏时,形成一条与荷载方向成30°角的主要裂缝。

2)在双向受压时,平行试件的自由面,发生类似的微裂缝。破坏时,发展成与自由面成18°～27°角的主要裂缝。

3)在拉、压组合作用时,只要拉应力小于压应力的1/15,则裂缝类似于双向受压试件。在更高的拉应力时,则在垂直于主拉应力方向上发生简单的拉裂(断裂)。

4)在双向受拉时,也在垂直主拉应力方向上发生拉裂。两个主拉应力相等时,拉裂的位置没有一定,但裂缝总是垂直于试件自由面。

3 双轴应力状态下混凝土强度计算公式

根据试验结果，已提出不少混凝土双向受力时的强度计算公式，主要有下列几种：

1)Kupfer和Gerstle公式。

(1)

σ1c=ασ2c

(2)

(3)

σ1t=ασ2c

(4)

一拉一压 (-∞<α<-0.17):σ2c≤0.65fc

(5)

σ1t=ft

(6)

双向受拉:σ1t=ft

(7)

σ2t=ft

(8)

其中，σ1c,σ2c,σ1t,σ2t相应为σ1及σ2方向的混凝土抗压及抗拉强度;fc,ft分别为混凝土单轴抗压及抗拉强度,在此取ft=0.3f2/3,N/mm2；α为两向主应力比，α=σ1/σ2。

2)Liu,Nilson和Slate双向受压公式。

(9)

σ1c=ασ2c

(10)

0.2≤α≤1.0σ2c=1.2fc

(11)

3)Nelisson公式。

双向受压:

(12)

(13)

一拉一压：

(14)

双向受拉：

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,建筑抗震设计规范[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

何海荣(1977- )，男，副教授，一级注册建造师，注册安全工程师

TU311

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