Part3混凝土多轴应力破坏准则.ppt

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第第33章章多轴应力下混凝土的多轴应力下混凝土的本构关系本构关系钢筋混凝土结构中，混凝土几乎不存在单一轴压或钢筋混凝土结构中，混凝土几乎不存在单一轴压或轴拉应力状态；轴拉应力状态；梁、板、柱构件，混凝土事实上处于二维或三维应梁、板、柱构件，混凝土事实上处于二维或三维应力状态；力状态；双向板、墙板、剪力墙和折板、壳体，重大的特殊双向板、墙板、剪力墙和折板、壳体，重大的特殊结构，如核反应堆的压力容器和安全壳、水坝、设备基结构，如核反应堆的压力容器和安全壳、水坝、设备基础、重型水压机等，都是典型的二维和三维结构，其中础、重型水压机等，都是典型的二维和三维结构，其中混凝土的多轴应力状态更是确定无疑；混凝土的多轴应力状态更是确定无疑；设计时，如采用混凝土单轴压或拉强度，其结果是：

设计时，如采用混凝土单轴压或拉强度，其结果是：

过低地给出二轴和三轴抗压强度，造成材料浪费，却又过低地给出二轴和三轴抗压强度，造成材料浪费，却又过高地估计多轴拉过高地估计多轴拉-压应力状态的强度，埋下不安全的压应力状态的强度，埋下不安全的隐患，隐患，显然都不合理。

显然都不合理。

许多国家对混凝土多轴性能的大量系统性试验和理许多国家对混凝土多轴性能的大量系统性试验和理论研究，取得的研究成果有的已经融入相关设计规范。

论研究，取得的研究成果有的已经融入相关设计规范。

美、英、德、法等国的预应力混凝土压力容器设计美、英、德、法等国的预应力混凝土压力容器设计规程、俄国和日本的水工结构设计规范，以及模式规规程、俄国和日本的水工结构设计规范，以及模式规范范CEB-FIPMC90等都有明确的条款，规定了混凝土等都有明确的条款，规定了混凝土多轴强度和本构关系的计算公式（或图、表）。

这些多轴强度和本构关系的计算公式（或图、表）。

这些成果应用于工程实践中，取得了很好的技术经济效益。

成果应用于工程实践中，取得了很好的技术经济效益。

自上世纪自上世纪60年代，我国一些高校和研究院相继开展年代，我国一些高校和研究院相继开展了混凝土多轴性能的试验和理论研究，取得了相应成了混凝土多轴性能的试验和理论研究，取得了相应成果，为在果，为在混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB-50010-2002中中首次列入多轴强度和本构关系奠定了坚实的基础。

首次列入多轴强度和本构关系奠定了坚实的基础。

另外，计算机的发展应用，有限元分析方法渐趋成另外，计算机的发展应用，有限元分析方法渐趋成熟，为准确地分析复杂结构提供了强有力的理论和运熟，为准确地分析复杂结构提供了强有力的理论和运算手段，研究合理、准确的混凝土破坏准则和本构关算手段，研究合理、准确的混凝土破坏准则和本构关系已成为可能。

电子量测和控制技术的进步，为建造系已成为可能。

电子量测和控制技术的进步，为建造复杂的混凝土多轴试验设备和改进量测技术提供了条复杂的混凝土多轴试验设备和改进量测技术提供了条件。

件。

混凝土的材料性质复杂多变，其多轴强度和变形又混凝土的材料性质复杂多变，其多轴强度和变形又随三轴应力状态的不同而有很大差异。

随三轴应力状态的不同而有很大差异。

至今还没有，至今还没有，以后也难以找到一种准确的理论方法，可以从混凝土以后也难以找到一种准确的理论方法，可以从混凝土原材料的性质、组成和制备工艺等原始条件推算其多原材料的性质、组成和制备工艺等原始条件推算其多轴力学性能。

轴力学性能。

因而，因而，最现实和合理的办法是创建混凝最现实和合理的办法是创建混凝土多轴试验设备、制作试件直接进行试验测定。

土多轴试验设备、制作试件直接进行试验测定。

3.1试验设备和方法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：

态分为两大类：

1、常规三轴试验机、常规三轴试验机一般利用已有的大型材料试验机，配备一个带一般利用已有的大型材料试验机，配备一个带活塞的高压油缸和独立的油泵、油路系统。

活塞的高压油缸和独立的油泵、油路系统。

试验时将试件置于油缸内的活塞之下，试件的试验时将试件置于油缸内的活塞之下，试件的横向由油泵施加液压，纵向由试验机通过活塞加横向由油泵施加液压，纵向由试验机通过活塞加压。

试件在加载前外包橡胶薄膜，防止高压油进压。

试件在加载前外包橡胶薄膜，防止高压油进入试件裂缝，胀裂试件，降低其强度。

入试件裂缝，胀裂试件，降低其强度。

试验采用圆柱体或棱柱体试件，试验采用圆柱体或棱柱体试件，当试当试件三轴受压（件三轴受压（C/C/C）时，）时，必有两方向必有两方向应力相等应力相等，称为常规三轴受压，以区别，称为常规三轴受压，以区别真三轴受压试验。

真三轴受压试验。

如果采用空心圆筒试件，在筒外或筒如果采用空心圆筒试件，在筒外或筒内施加侧压，还内施加侧压，还可进行二轴受压可进行二轴受压（C/C）或拉压或拉压（T/C）试验试验。

2、真三轴试验装置、真三轴试验装置试验装置的构造见图。

试验装置的构造见图。

60年代，年代，Krupp通用建筑公司通用建筑公司机架焊接整体结构，三轴机架焊接整体结构，三轴刚性连接刚性连接试验中：

试件挤在一角，变形增大时试件受到不对称应力增试验中：

试件挤在一角，变形增大时试件受到不对称应力增大。

因为轴是互相固定死的，变形得不到互相补偿。

这种机械大。

因为轴是互相固定死的，变形得不到互相补偿。

这种机械设备限制在试件中产生强制应力，实测破坏荷载并不能真实代设备限制在试件中产生强制应力，实测破坏荷载并不能真实代表试件的破坏荷载。

表试件的破坏荷载。

慕尼黑工大慕尼黑工大（68年）年）一框架弹性一框架弹性悬挂在另一悬挂在另一框架上，钢框架上，钢刷传力，可刷传力，可减小不对称减小不对称应力。

应力。

三三轴轴分分离离试试验验装装置置：

由由三三个个独独立立的的互互不不相相连连的的机机架架组组成成，在在水水平平方方向向的的两两个个机机架架，一一个个用用缆缆绳绳悬悬挂挂起起来来，另另一一个个放放置置在在滚滚动动轴轴承承上上。

垂垂直直机机架架用用平平衡衡重重物物悬悬挂挂起起来来，能能适适应应试试件件在在水水平平方方向向和和垂垂直直方方向向上上受受应应力力而而产生的变形。

产生的变形。

共同特点是：

在共同特点是：

在3个相互垂直的方向都设有独立的活塞、液压缸、个相互垂直的方向都设有独立的活塞、液压缸、供油管路和控制系统。

供油管路和控制系统。

但主要机械构造差异很大，有的在但主要机械构造差异很大，有的在3个方向分设丝杠和横梁等组个方向分设丝杠和横梁等组成的加载架，有的则利用试验机施加纵向应力，横向（水平）的两成的加载架，有的则利用试验机施加纵向应力，横向（水平）的两对活塞和油缸置于一刚性承载框内，以减小设备占用空间，方便试对活塞和油缸置于一刚性承载框内，以减小设备占用空间，方便试验。

验。

在复杂结构中，混凝土的三向主应力不等，且可能在复杂结构中，混凝土的三向主应力不等，且可能是有拉有压。

显然，试验装置应能在是有拉有压。

显然，试验装置应能在3个方向施加任意个方向施加任意的拉、压应力和不同的应力比例（的拉、压应力和不同的应力比例（1：

2：

3）。

）。

70年年代后研制的试验装置大部分属此类。

代后研制的试验装置大部分属此类。

真三轴试验装置的最大加载能力为压力：

真三轴试验装置的最大加载能力为压力：

3000kN/2000kN/2000kN拉力为：

拉力为：

200kN/200kN混凝土试件一般为边长混凝土试件一般为边长50150mm的立方体。

进行的立方体。

进行二轴应力状态试验时也可采用板式试件，最大尺寸二轴应力状态试验时也可采用板式试件，最大尺寸为为200mm200mm50mm。

真三轴试验装置需要自行设计和研制，且无统一的真三轴试验装置需要自行设计和研制，且无统一的试验标准可依循，还有些复杂的试验技术问题需解决，试验标准可依循，还有些复杂的试验技术问题需解决，造价和试验费用都比较高。

但是为了获得混凝土的真造价和试验费用都比较高。

但是为了获得混凝土的真三轴性能，却又缺之不可。

三轴性能，却又缺之不可。

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：

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、消减试件表面的摩擦混凝土立方体试件的标准抗压试验中，只施加单向压力，由于混凝土立方体试件的标准抗压试验中，只施加单向压力，由于钢压板对试件端面的横向摩擦约束，提高了混凝土的试验强度。

钢压板对试件端面的横向摩擦约束，提高了混凝土的试验强度。

在多轴受压试验时，如不采取措施消除或减小此摩擦作用，各承在多轴受压试验时，如不采取措施消除或减小此摩擦作用，各承压端面的约束相互强化，可使混凝土的试验强度成倍地增长，试压端面的约束相互强化，可使混凝土的试验强度成倍地增长，试验结果不真实，毫无实际价值。

验结果不真实，毫无实际价值。

混凝土多轴试验中，行之有效的减摩措施有混凝土多轴试验中，行之有效的减摩措施有4类：

类：

在试件和加压板之间在试件和加压板之间设置减摩垫层设置减摩垫层；刷形加载板刷形加载板；柔性加载板柔性加载板；金属箔液压垫金属箔液压垫。

后三类措施取得较好的试验数据，但其附件的构造复杂，加工后三类措施取得较好的试验数据，但其附件的构造复杂，加工困难，造价高，且减摩效果也不尽理想。

至今应用最多的还是各困难，造价高，且减摩效果也不尽理想。

至今应用最多的还是各种材料和构造的减摩垫层，例如两片聚四氟乙烯（厚种材料和构造的减摩垫层，例如两片聚四氟乙烯（厚2mm）间加）间加二硫化钼油膏，三层铝箔（厚二硫化钼油膏，三层铝箔（厚0.2mm）中间加二硫化钼油膏，分）中间加二硫化钼油膏，分小块的不锈钢垫板等。

小块的不锈钢垫板等。

2、施加拉力、施加拉力对试件施加拉力，须有高强粘结胶把试件和加载板牢固地粘结对试件施加拉力，须有高强粘结胶把试件和加载板牢固地粘结在一起。

此外，在一起。

此外，试件在浇注和振捣过程中形成含有气孔和水泥砂试件在浇注和振捣过程中形成含有气孔和水泥砂浆较多的表层（厚约浆较多的表层（厚约24mm），抗拉强度偏低，故用作受拉试验），抗拉强度偏低，故用作受拉试验的试件先要制作尺寸较大的混凝土试块，后用切割机锯除表层的试件先要制作尺寸较大的混凝土试块，后用切割机锯除表层5mm后制成。

后制成。

3、应力和应变的量测、应力和应变的量测混凝土多轴试验时，试件表面有加载板阻挡，周围的空间很小，混凝土多轴试验时，试件表面有加载板阻挡，周围的空间很小，成为应变量测的难点。

试验中一般采用两类方法：

成为应变量测的难点。

试验中一般采用两类方法：

直接量测法，直接量测法，在试件表面上预留浅槽（深在试件表面上预留浅槽（深23mm）内粘贴电）内粘贴电阻应变片，并用水泥砂浆填满抹平；或者在打磨过的试件棱边上阻应变片，并用水泥砂浆填满抹平；或者在打磨过的试件棱边上粘贴电阻片（影响试件性能，应变片可能被破坏）；粘贴电阻片（影响试件性能，应变片可能被破坏）；间接量测法，间接量测法，使用电阻式或电感式变形传感器量测试件同方向使用电阻式或电感式变形传感器量测试件同方向两块两块加载板的相对位移，扣除事先标定的减摩垫层的相应变形后，加载板的相对位移，扣除事先标定的减摩垫层的相应变形后，计算试件应变。

计算试件应变。

前者较准确，但量程有限，适用于二轴试验和三轴拉压试验；前者较准确，但量程有限，适用于二轴试验和三轴拉压试验；后者的构造较复杂，但量程大，适用于三轴受压试验。

后者的构造较复杂，但量程大，适用于三轴受压试验。

4、应力（变）途径的控制、应力（变）途径的控制实际结构中一点的三向主应力值，随荷载的变化可实际结构中一点的三向主应力值，随荷载的变化可有不同的应力途径。

已有的大部分三轴试验是等比例有不同的应力途径。

已有的大部分三轴试验是等比例（1:

2:

3=const）单调加载、直到试件破坏。

）单调加载、直到试件破坏。

应力比例由电应力比例由电-液控制系统实现，一般设备