混凝土各种试验方法 原理及数据采集.docx
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混凝土各种试验方法原理及数据采集
一，混凝土本构关系边界面模型
1，混凝土边界面模型
边界面模型最早被用来模拟金属和土在循环荷载作用下的性能。
后来Fardis,M.N.等人把这一模型用来模拟混凝土的性能，但只能模拟混凝土在单调多向及循环单向加载下的性能。
之后，Chen,E.S.等人提出一种比较有效的混凝土边界面模型，它能够模拟混凝土在多向循环受压情况下的性能。
在此基础上，Pagnon,T等人又对边界面模型进行了修改。
哈尔滨建筑大学屠永清成功地运用边界面模型分析了钢管混凝土构件的弯矩一曲率滞回曲线及荷载一位移滞回曲线。
边界面模型具有以下几个特点:
（1）采用连续损伤的概念描述刚度退化现象和模拟非线性行为。
（2）材料参数的确定取自大量的试验数据，能够较好地反映混凝土的一些物理现象。
（3）用混凝土的单轴抗压强度及相应峰值应变表达材料常数，在利用该模型进行计算时，用到的应力和应变是分别除以混凝土的单轴抗压强度及相应峰值应变之后的结果，即该模型中的参数及最后结果都是无量纲的，因此该模型可用于描述各种强度的混凝土。
（4）同经典塑性理论相比，这种模型的加卸载原则借助于边界面和加载面共同加以确定。
2，边界面的概念
在应力空间中，由各种荷载作用下的极限强度所构成的曲面称之为破坏面，前人已经
给出了多种描述破坏面的方程。
边界面模型认为在荷载的作用下，混凝土由于内部微裂缝、
裂纹以及各组成成分的相互挤压作用而经历一个不断损伤的过程。
破坏面的大小随着材料
损伤的增加而不断缩小。
试验结果表明:
对于一个给定的损伤水平，在单调或循环荷载的作用下，构件的破坏应力约相等，这说明在应力空间中存在着一个无形的与损伤水平相一致的包络面，所有可能的应力点都包含在此包络面内，这一包络面被称之为边界面。
3，模型参数的确定
（1）材料参数：
单轴抗压强度，初始弹性模量，应力峰值点处的应变等
（2）边界面方程
（3）模型参数：
损伤参数（上升段部分，下降段部分）；
函数式的定义（对于偏量加载，对于偏量卸载）；
上升段部分参数（初始剪切模量，切线体积模量，塑性剪切模量，剪切压缩—膨胀系数）；
下降段部分参数（剪切模量，切线体积模量，塑性剪切模量，膨胀系数）
4，程序框图
原图：
1
模型图点的选取：
数据采集图：
采集的数据：
27个点
A（X）：
0.01112
0.04295
0.09601
0.09601
0.14377
0.20744
0.25520
0.30295
0.41969
0.53111
0.72744
0.87601
1.13070
1.44376
1.75152
1.97968
2.09111
2.22376
2.43070
2.72784
3.01967
3.37518
3.71477
4.00661
4.33558
4.64334
4.85558
B（Y）：
0.01013
0.04923
0.12915
0.19650
0.26271
0.33920
0.41683
0.50360
0.60520
0.71023
0.78672
0.84608
0.91229
0.96138
0.98992
0.99677
0.96481
0.92714
0.88832
0.84951
0.80384
0.76274
0.72393
0.69196
0.66456
0.64401
0.62575
原图：
2
模型图点的选取：
数据的采集图：
采集的数据：
58个点
A（X）:
-2.45999
-2.26977
-2.07955
-1.88141
-1.77837
-1.67534
-1.52475
-1.42171
-1.28697
-1.12053
-0.95409
-0.67669
-0.54987
-0.39928
-0.27247
-0.18529
-0.08225
-0.08225
-0.05847
-0.08225
-0.04262
-0.05847
-0.04262
-0.05847
-0.04262
-0.01884
0.04456
0.00493
0.02078
0.06834
0.17138
0.21893
0.25856
0.34574
0.42500
0.55181
0.63900
0.80544
0.95603
1.14625
1.32062
1.55047
1.78824
2.04187
2.23208
2.35890
2.50949
2.63630
2.84237
3.03259
3.23074
3.46058
3.80139
4.09465
4.45924
4.64946
4.90308
4.94271
B（Y）;
0.62167
0.64677
0.67904
0.71370
0.74597
0.77824
0.81290
0.84517
0.87146
0.90254
0.94437
0.97305
0.99217
0.98978
0.97305
0.95393
0.91210
0.86190
0.77226
0.68501
0.59299
0.49618
0.41371
0.32766
0.26671
0.18663
0.11970
0.05157
0.02648
0.14121
0.21531
0.29539
0.38144
0.48064
0.57028
0.65035
0.70772
0.77465
0.82963
0.89297
0.92883
0.96707
0.98620
0.98620
0.95751
0.91927
0.89058
0.87146
0.83919
0.82246
0.79378
0.76868
0.73043
0.69816
0.66350
0.64079
0.63123
0.62167
原图3：
模型图点的选取：
采集的数据：
108个点
A（X）:
0.02781
0.01690
0.05692
0.10421
0.13332
0.18061
0.22063
0.26793
0.30795
0.37707
0.42437
0.50441
0.56262
0.62083
0.69723
0.77727
0.85367
0.94099
1.02830
1.15564
1.25387
1.38121
1.47580
1.55584
1.56311
1.57403
1.51582
1.47580
1.45761
1.41031
1.38121
1.35210
1.27206
1.20294
1.13745
1.07924
0.90097
0.78455
0.62811
0.47530
0.34797
0.26065
0.26793
0.28976
0.32978
0.37707
0.42437
0.47530
0.55171
0.62083
0.66813
0.75544
0.83548
0.90097
0.98828
1.10834
1.20294
1.33027
1.42850
1.62132
1.77049
1.90510
2.02152
2.15977
2.15977
2.10156
2.07246
2.03244
1.99242
1.93421
1.84689
1.75957
1.64315
1.57403
1.49763
1.41031
1.29025
1.16655
1.01011
0.90097
0.84276
0.87186
0.91188
0.93007
0.95918
1.05013
1.13745
1.19566
1.38848
1.48671
1.59222
1.68317
1.78868
1.89419
2.02152
2.23617
2.41080
2.57816
2.79281
2.94561
3.06567
3.18937
3.36400
3.53136
3.66597
3.78603
3.88062
3.96066
B（Y）:
0.00115
0.05569
0.09780
0.15148
0.21885
0.29148
0.35991
0.40728
0.46412
0.53359
0.58728
0.64728
0.68623
0.73149
0.76833
0.80202
0.83254
0.84939
0.88623
0.90623
0.92833
0.94833
0.95991
0.96202
0.92833
0.89781
0.84728
0.76517
0.69465
0.64412
0.60728
0.58201
0.46412
0.39043
0.31149
0.27254
0.17675
0.11675
0.07780
0.05569
0.02411
0.01569
0.0578
0.10306
0.15675
0.21254
0.27254
0.33149
0.3957
0.46412
0.51465
0.56833
0.60728
0.64938
0.68938
0.71991
0.76202
0.78517
0.81044
0.85254
0.87465
0.88939
0.89991
0.91465
0.86412
0.78728
0.72517
0.6778
0.60728
0.50622
0.40728
0.31991
0.2378
0.19569
0.15675
0.1199
0.08938
0.06096
0.0378
0.01885
0.01885
0.0578
0.11148
0.15359
0.19359
0.2978
0.37885
0.44728
0.56201
0.62096
0.67465
0.70623
0.73991
0.77886
0.81044
0.84939
0.86939
0.89149
0.91675
0.92833
0.93991
0.95149
0.95676
0.96518
0.96518
0.97676
0.97676
0.97886
原图4：
模型图点的选取：
采集的数据：
29个点
A（X）:
0.0614
0.15189
0.2141
0.28763
0.34984
0.44033
0.54778
0.6213
0.74573
0.86449
0.98326
1.09071
1.21514
1.31694
1.46964
1.59406
1.71283
1.83159
1.96733
2.10871
2.18224
2.22748
2.31797
2.43674
2.63468
2.78738
2.92311
3.03057
3.14934
B（Y）:
0.06691
0.1179
0.17443
0.22209
0.26311
0.32296
0.37284
0.43269
0.50696
0.59231
0.65438
0.71091
0.75857
0.80623
0.85057
0.88936
0.91042
0.9337
0.95698
0.96585
0.95144
0.91597
0.88271
0.85057
0.77298
0.73197
0.69317
0.66325
0.63664
原图5：
模型图点的选取：
数据采集图：
采集的数据：
46个点
A（X）:
0.04472
0.13753
0.26942
0.38666
0.46482
0.55763
0.62113
0.77745
0.89469
1.01193
1.10474
1.22198
1.33921
1.48576
1.58834
1.69581
1.81305
1.91563
2.01822
2.09637
2.14034
2.20384
2.33573
2.41389
2.4774
2.53113
2.62394
2.62394
2.62394
2.60929
2.64837
2.64837
2.67279
2.71187
2.7656
2.78026
2.85842
2.90727
2.961
3.01473
3.10755
3.18571
3.30294
3.39087
3.51299
3.63023
B（Y）:
0.0285
0.06541
0.12423
0.17614
0.21882
0.25688
0.28687
0.35493
0.41029
0.45989
0.51295
0.55332
0.60523
0.66406
0.70443
0.74365
0.78748
0.82439
0.85207
0.87399
0.88898
0.90513
0.93281
0.94781
0.9605
0.97319
0.97319
0.93512
0.91436
0.88322
0.85784
0.80593
0.77479
0.72519
0.68251
0.64791
0.60523
0.55563
0.51526
0.48181
0.43798
0.40453
0.35493
0.33301
0.29379
0.28111
混凝土应力一应变关系的计算:
根据试验模型，本文作者编制了计算程序，程序框图如图所示。
采用该程序计算时，只需给出混凝土的抗压极限强度，并且不断输入各应力分量的增量，程序就可计算出应力一应变曲线。
利用这个模型，作者对所搜集到的多条混凝土应力一应变试验曲线进行了验算，其中包括单调及循环加载，单轴受压等各种荷载情况。
通过对现有边界面模型的修改，本文作者提出了混凝土应力一应变关系的计算模型。
基于改进后的计算模型编制了计算程序，计算结果和试验结果吻合基本令人满意。
混凝土的应力一应变关系由上升和下降应变软化段组成，特别是下降段具有裂缝逐渐扩展，卸载时弹性软化等特点。
关于混凝土下降段应变软化行为，有许多文献认为并不是材料本身的特性，而
是结构特性，即和试验方法、试验设备等许多因素有关，所以大应变时的计算结果有一定误差。
另外由于本文作者所搜集到的关于高强混凝土的试验资料不足，部分计算结果有待于进一步改进。
建议可以在科学研究过程中采用该模型。
二，混凝土单轴受压应力-应变关系
混凝土单轴压缩试验典型的应力-应变曲线如图所示.根据试验结果,可据以下条件来描述混凝土单轴受压
关系的上升段：
（1）
=0,σ=0,即图1中原点的应力和应变值.
（2）
=0,dσ/dε=E0,即原点的切线模量.
（3）
=
c，σ=σc,即图中最高点C的应力和应变值.
（4）
=
c,dσ/dε=0,即最高点C的切线模量等于零.
三，反复荷载下约束混凝土本构关系
本文主要阐明了反复荷载作用下约束混凝土的骨架曲线和加载、卸载规则.根据所编制的计算机程序.对反复荷载下的约束混凝上本构关系进行了数值模拟.结果表明.根据建立的约束混凝土本构关系模型所进行的非线性分析与试验结果基本吻合.
1，骨架曲线
以方钢管混凝土中约束混凝土单调受压全曲线作为受压部分骨架曲线，以钢筋混凝土中约束混凝土单调受拉全曲线作为受拉部分骨架曲线，为计算方便，规定混凝土的应力和应变的符号以受压为正。
2，约束混凝土卸载、再加载规则
2.1约束混凝土卸载
2.1.1受压区卸载
2.1.2受拉区卸载
2.2约束混凝土再加载
三，高性能混凝土本构关系
本试验主要介绍了高性能混凝土和普通混凝土在无减摩和减摩情况下的本构关系试验比较结果，着重对抗压极限强度、峰值压应变、应力-应变关系、弹性模量、泊松比、初裂应力等进行分析比较。
研究表明:
高性能混凝上与普通混凝土相比，压缩弹性阶段较长，弹性模量较高，两种混凝土峰值压应变、泊松比较接近，初裂应力都较大;减摩措施降低了这两种混凝上的抗压强度测值、普通混凝土的初裂应力和弹性模量测值，但减摩对高性能混凝土弹模影响不大，且提高了高性能混凝上的初裂应力。
为了反映高性能混凝土之性能，以C30普通混凝土为基准，在相同坍落度（20cm）条件下，保持每方混凝土水泥用量不变，通过掺加复合流动剂、硅粉和优质粉煤灰，配制C60高性能混凝土。
着重对高性能混凝土和普通混凝土的本构关系进行试验比较。
分别对l0cmxl0cmx10cm立方体、l0cmxl0cmx30cm棱柱体、15cmx30cm圆柱体试件进行试验，并对l0cmxl0cmx10cm立方体、呈15cmx30cm圆柱体试件端部进行封蜡和加聚四氟乙烯垫片减摩处理，且与无减摩措施进行比较，所以，试验分10个组次，每组3个试件。
试件龄期为28d。
无减摩下的高性能混凝土性能分析：
主要以10cmx10cmx30cm棱柱体试件为例进行分析。
应力-应变关系曲线分析,10cmx10cmx30cm棱柱体应力-应变关系曲线如图所示。
（1）从应力-应变关系曲线可知，当普通混凝土压应力小于60%的抗压强度时，应力-应变关系基本保持线性，当压应力超过0.6倍最大压应力时，两者的非线性逐渐增加，直至破坏为止;而对于高性能混凝土，当压应力小于抗压强度的70%时，应力-应变关系呈线性递增，一旦超过很快发生破坏。
压荷下混凝土破坏的过程实质上是微裂缝发生、扩展、以至贯通的过程。
微裂缝可以分为三种形式:
骨料和砂浆之间的界面裂缝、穿过砂浆的裂缝和穿过骨料的裂缝。
一般情况下，只有少量裂缝穿过骨料骨粒;加荷后期阶段出现穿过砂浆裂缝。
（2）两种混凝土峰值压应变相差不大，基本都在1800左右，这与普通混凝土间的峰值压应变规律相似。
原图6：
原图点的选取：
数据采集图：
采集的数据：
15个点
A（X）:
69.18652
144.30409
249.01343
367.38052
499.40534
647.36419
786.21789
952.38706
1107.174
1266.515
1405.3679
1580.646
1719.4905
1844.6938
1992.654
B（Y）:
0.87148
3.52967
6.50869
11.00012
15.21657
19.52469
22.5037
25.0244
26.85764
28.23257
29.37835
30.20331
30.79911
31.07409
31.07409
四，强冲击载荷作用下钢筋混凝土本构关系
图为同一冲击速度下同一测试点处混凝土材料和钢筋混凝土理论加载段应力一应变曲线的比较.由图示可见，本试验得到的损伤型粘弹性本构方程组能较好地描述混凝土材料和钢筋混凝土在强冲击载荷作用下的应力一应变行为。
数据点的选取：
数据图的采集图：
采集的数据：
22个点
A（X）:
0.00132
0.00135
0.00148
0.00279
0.00436
0.00558
0.00666
0.00797
0.00905
0.01053
0.01161
0.01305
0.01449
0.01571
0.01643
0.01773
0.01908
0.02025
0.02124
0.02232
0.02354
0.02449
B（Y）:
0.01113
0.05134
0.09659
0.14016
0.21724
0.25745
0.3161
0.35129
0.39653
0.45518
0.4954
0.54399
0.58421
0.63448
0.66967
0.70654
0.74172
0.78194
0.81713
0.84897
0.89924
0.9294
五，高强混凝土应力应变关系
C30：
采集的数据点：
采集的数据：
26个点
A（X）:
0.01119
0.01567
0.09088
0.16072
0.24667
0.3756
0.46155
0.57973
0.75164
0.90743
1.0095
1.12231
1.25124
1.43926
1.60042
1.75621
1.91737
2.10002
2.33102
2.5459
2.75004
2.94881
3.15295
3.36783
3.53973
3.60957
B（Y）:
0.68187
2.98566
6.65927
8.83853
11.82723
14.6914
17.18198
20.35747
22.97258
26.14808
28.01602
30.13301
31.81415
32.81039
33.18398
32.81039
31.68963
29.63489
28.01602
26.14808
24.84052
23.65749
22.16314
21.16691
20.17068
20.17068
C40：
采集的数据点数：
33个
A（X）:
0.06902
0.05316
0.12188
0.19588
0.26459
0.32274
0.3756
0.46546
0.51832
0.57646
0.61875
0.68746
0.77204
0.87247
0.94647
1.04162
1.16848
1.28477
1.36934
1.45391
1.59663
1.74992
1.89264
2.04593
2.17279
2.33137
2.50052
2.66966
2.82295
2.9551
3.13482
3.30397
3.39383
B（Y）:
0.50047
2.19996
5.03243
7.55018
10.13088
11.95625
14.474
16.36232
18.37652
19.69834
21.90137
23.22319
25.2374
27.44043
29.95818
31.8465
35.05663
36.88201
39.27387
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