普通混凝土压-剪多轴试验研究与受力分析

2023-12-29张丽朱斌张永刚

广东建材 2023年12期

张丽朱斌张永刚

（1 南昌大学共青学院；2 苏丹伊德里斯教育大学）

对于混凝土偏心荷载作用和多轴荷载作用已有一些研究。例如过镇海[2]对混凝土偏心受压和偏心受拉进行分析得到混凝土在该作用下的应力-应变全曲线，并研究得到其受力规律和破坏形态。王景荣[3,4]通过真三轴仪器对混凝土两轴以及三轴受力性能展开试验研究，得到了多轴混凝土的破坏形态并得到相应破坏准则。在实际工程中，混凝土压-剪复合受力的研究不容忽视，如高速公路、机场道路的冲击作用，混凝土深梁、牛腿的复杂承载作用，均存在压-剪的复合受力状态。对于混凝土压-剪研究相关文献相对较少，试验研究方法也各不相同，不同于抗压和抗拉均有标准试验方法，Mattock[5]、Iosipescu[6]等相关学者通过短梁直剪和缺口梁试验主要对混凝土纯剪受力形态进行研究。张琦[7]分析得到混凝土剪切强度与抗拉强度的关系式。近些年来，French.R[8]、T.T.Bui[9]对混凝土直剪的力学特性以及拉压状态下的混凝土板的受剪特性进行研究。石磊[10]、宋玉普[11]分别采用楔形剪切仪和动三轴仪对混凝土压-剪进行试验研究。分析剪切强度与轴压比的关系时，不同的试验方法得到的结果差距较大，有时可达到2～3 倍。然而，对于不同轴压比作用下的混凝土剪切破坏形态、剪切荷载-位移曲线的受力过程分析的相关内容尚未开展详细研究，对混凝土压-剪破坏的强度准则分析需要进一步对比分析。

本文以不同轴压比为加载工况，采用材料压-剪液压伺服机进行混凝土压-剪试验研究。分析多种工况下剪切荷载-位移曲线各个阶段的受力破坏特性，并总结不同轴压比与两种强度的关系，应用平面应力空间分析提出普通混凝土压-剪复合受力的破坏准则。对实际工程应用具有一定的指导价值。

1 试验方案

1.1 混凝土原材料和配合比

混凝土设计强度为40MPa，根据《普通混凝土配合比设计规》程(JGJ55-2011)确定混凝土配合比，普通硅酸盐水泥P.O 42.5、天然粗骨料粒径4～16mm、细骨为河砂，粒径≤5mm、粉煤灰和减水剂(掺量1.0%～2.0%，相应减水率为20%～30%)，配合比如表1所示。

表1 普通混凝土配合比(kg/m3)

1.2 试验加载方案

设置八种不同的轴压压力分别为0MPa、1.5MPa、3MPa、4.5MPa、6MPa、7.5MPa、9MPa 和10.5MPa，试件尺寸100mm×100mm×100mm，进行压-剪受力分析。采用材料压-剪试验机，如图1 所示为普通混凝土压-剪加载设备与加载示意。

图1 混凝土压-剪加载设备

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

应用材料压-剪试验机，得到不同轴压下混凝土剪切破坏形态。本文混凝土剪切破坏形态的研究主要考虑垂直剪切向混凝土剪切裂缝、平行剪切向混凝土剪切裂缝和剪切断面破坏形态，本文选取轴压应力分别为0MPa、4.5MPa和9MPa作为混凝土破坏形态展开研究，如图2～图4所示。

图2 垂直剪切向普通混凝土剪切裂缝

如图2 所示为不同轴压比下普通混凝土的破坏形态，在横向剪切荷载的作用下，在普通混凝土剪切断面上形成剪切应力，试件发生剪切破坏，在垂直于剪切方向形成如图2 所示，由于剪力盒间的上下错动形成笔直的剪切线。当轴压应力为0MPa 时，仅存在一条笔直的剪切断裂缝，当轴压应力为4.5MPa和9MPa时，试件该表面不仅存在一条笔直的剪切裂缝，同时在轴向加载向形成一条相对微小的裂缝，该裂缝主要是由于较高轴压荷载作用和剪切荷载耦合作用而形成，如图2(b)～(c)。

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在平行于剪切方向的混凝土侧向形成较为不规则的破坏断裂线，原因为混凝土在受剪切荷载作用下，裂缝首先在两个剪力盒接触面位置出现，产生了原始截面裂缝。随着横向荷载的逐步增大，裂缝开始延伸，其发展将沿着水泥浆与骨料界面最薄弱的位置，在水泥砂浆裂缝的顶端出现应力集中。由于混凝土是一种非均质复合材料，该薄弱位置未必完全在剪切面呈现一条笔直的直线，薄弱位置可能在剪切面上下浮动，最终混凝土剪切裂缝的发展沿薄弱位置发展，平行于混凝土剪切方向产生该破坏形态，如图3 所示。轴压力较低时，是一条较为波动的剪切裂缝，当轴压力较高时，不仅出现一条较为波动的剪切裂缝，同时伴随一定量的混凝土试块剥落，轴压力越高脱落的混凝土块越大，同时形成一定斜向裂缝。

图3 平行剪切向普通混凝土剪切裂缝

对于混凝土剪切断面，如图4 所示，随着轴压力的提高，剪切破坏断面摩擦痕迹越发明显，同时所形成的混凝土碎渣也逐步增多。随着轴压比的提高，试件剪切破坏断面相互摩擦作用逐步提高，最终导致剪切破坏断面摩擦痕迹变得明显。

图4 混凝土剪切断面破坏形态

2.2 剪切应力-应变曲线

根据本文普通混凝土压-剪试验加载方案，得到不同加载工况普通混凝土剪切应力-应变曲线，如图5。

图5 普通混凝土剪切应力-应变曲线

普通混凝土横向剪切荷载-位移曲线发展趋势分为荷载上升阶段、荷载下降阶段和荷载相对稳定三个阶段，如图5 所示。第一阶段随着剪切位移的提高，混凝土剪切应力基本呈线性上升变化规律。第二阶段随着剪切位移的提高，混凝土剪切应力迅速下降。第三阶段随着剪切位移的提高，混凝土剪切应力呈现基本稳定的阶段，剪切应力相对变化较小。其中第三阶段横向荷载主要是由于剪切破坏断面相互作用形成的摩擦作用所提供的反力作用，称该阶段为残余应力，当轴压应力为0 时，残余应力为0，随着轴压比的提高，剪切破坏断面残余应力逐步提高。在轴向荷载的作用，混凝土试件骨料界面之间的机械咬合力得到有效的提高，从而使得横向剪切荷载随着轴压比的增大而增大。

2.3 剪切特征值

为进一步探究普通混凝土压-剪复合作用，根据普通混凝土横向剪切应力-位移曲线，提取剪切应力，分析轴压作用对普通混凝土剪切荷载的作用影响。

2.3.1剪切应力

根据图5 普通混凝土剪切应力-应变曲线，提取如图6所示轴压应力与剪切应力关系和图7轴压比与剪切系数(即剪切应力与轴压比为零时剪切应力比值)关系。

图6 混凝土轴压应力与剪切应力关系

图7 混凝土轴压比与剪切系数关系

根据图6～7 分析，随着轴向应力的提高，普通混凝土剪切应力逐步提高。当轴压应力为0MPa(轴压比0)时，普通混凝土剪切应力为8.64MPa，当轴压应力为10.5MPa(轴压比0.33)时，普通混凝土剪切应力为22.78MPa，同比提高了2.64 倍。压力的存在，增大骨料的咬合力，因此随着轴压应力的提高，混凝土剪切应力明显逐步增大。

基于莫尔-库伦准则表达形式进行修改，对普通混凝土进行数学回归分析，得到如图6 所示，莫尔-库伦准则方程能较好的描述混凝土压-剪复合受力破坏规律。考虑将混凝土剪应力和轴向压应力进行无量纲化处理，提出如公式⑶所示混凝土压-剪复合受力σ/fc-τ/τ0关系式。

根据普通混凝土压-剪作用轴压应力和剪切应力定性分析关系，提出如公式⑴所示普通混凝土压应力与剪应力关系。

式中，τ为混凝土剪切应力，τ0为混凝土轴压应力为0 时混凝土剪切应力，σ为混凝土压应力，fc为混凝土单轴受压应力，本文普通混凝土受压峰值应力为32MPa。

由本文普通混凝土八种不同轴压应力作用下剪切应力，应用公式⑴进行数学回归分析，得到如公式⑵所示表达形式。

根据图7 和公式⑵分析，所提出的公式⑴能较好的描述混凝土压-剪复合受力破坏规律。

2.3.2 剪切变形

根据本文普通混凝土不同轴压比下剪切应力-位移曲线，提取对应的位移值分析普通混凝土压-剪复合作用下的位移变化关系，如图8～9所示。