高強(qiáng)高性能混凝土多軸應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能試驗(yàn)和理論研究.pdf

1、混凝土是土木工程中應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一。隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，高層建筑、海洋平臺(tái)、大跨度橋梁及其他特種結(jié)構(gòu)等大型復(fù)雜構(gòu)筑物不斷涌現(xiàn)，這對混凝土材料的強(qiáng)度和耐久性提出了更高的要求。普通混凝土由于強(qiáng)度低、耐久性較差等缺點(diǎn)已不能滿足大型復(fù)雜構(gòu)筑物的要求。高強(qiáng)高性能混凝土的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了普通混凝土的不足，能夠滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及耐久性的要求，已逐漸在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用?；炷两Y(jié)構(gòu)中，混凝土采用一般處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，研究混凝土

2、在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)及本構(gòu)關(guān)系，是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前，高強(qiáng)高性能混凝土多軸力學(xué)性能方面的研究較為有限，開展對高強(qiáng)高性能混凝土復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能的研究顯得尤為重要。
　　本文從試驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬三方面出發(fā)，研究了高強(qiáng)高性能混凝土的多軸力學(xué)性能。主要研究成果如下:
　　1.通過劈裂抗拉試驗(yàn)和壓剪試驗(yàn)研究，獲得了粗骨料與硬化水泥凈漿之間界面的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，分析了粗骨料類型、水灰比

3、及粗骨料尺寸等參數(shù)對界面粘結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，粗骨料的性能對界面過渡區(qū)的粘結(jié)性能有較大的影響，界面的粘結(jié)強(qiáng)度隨著粗骨料尺寸的增大而減小;水灰比越低，界面的粘結(jié)性能越好;粗骨料類型對界面過渡區(qū)的粘結(jié)性能也有較大的影響。
　　2.對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了雙軸壓試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，單軸壓強(qiáng)度、應(yīng)力比及所處的應(yīng)力狀態(tài)對雙軸強(qiáng)度結(jié)果有較大的影響。此時(shí)，高強(qiáng)高性能混凝土的最大主應(yīng)力方向的峰值強(qiáng)度均大于其單軸壓強(qiáng)度，且

4、隨應(yīng)力比呈先增加后減小的趨勢。從破壞模式來看，雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，剪切破壞和受拉破壞共同作用，試件呈片狀破壞，裂紋面與加載方向呈一定的夾角，并垂直于自由面方向。隨著應(yīng)力比的增加，裂紋面與主軸方向的夾角逐漸減小。從應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)來看，雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，側(cè)向約束的施加對高強(qiáng)高性能混凝土的受壓性能和延性性能均有一定的改善。
　　3.對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了雙軸拉壓試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力方向的極限強(qiáng)度均小于單軸

5、壓強(qiáng)度，且隨著應(yīng)力比的增加而逐漸減小。從雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下，試件發(fā)生受拉破壞，試件中部產(chǎn)生一條明顯的貫穿主裂紋。從應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)來看，雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土最大主應(yīng)力方向的彈性模量隨著應(yīng)力比的增大而逐漸減小，并且呈現(xiàn)出明顯的脆性行為。
　　4.對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了雙軸拉試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，雙軸拉應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力方向的極限強(qiáng)度與應(yīng)力比無關(guān)，可認(rèn)為與單軸拉伸強(qiáng)度相等。雙軸拉應(yīng)力狀態(tài)下，試件亦發(fā)生受拉破壞。隨著應(yīng)力比的增

6、加，試件主裂紋的方向與最大主拉應(yīng)力方向的夾角逐漸減小。雙軸拉應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)更加明顯的線性行為。而且，隨著應(yīng)力比的增加，最大主拉應(yīng)力方向的彈性模量逐漸增加。
　　5.對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了三軸壓試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，三軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土單軸壓強(qiáng)度、應(yīng)力比及所處的應(yīng)力狀態(tài)對三軸壓強(qiáng)度影響更加明顯。此種應(yīng)力狀態(tài)下，由于最小主壓應(yīng)力方向提供的約束，三種混凝土最大主應(yīng)力方向的強(qiáng)度均較雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)得到了明顯的提高。當(dāng)最

7、大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向的應(yīng)力比恒定時(shí)，由于中間主應(yīng)力效應(yīng)，高強(qiáng)高性能混凝土仍在應(yīng)力比為0.5時(shí)獲得最大極限強(qiáng)度。高強(qiáng)高性能混凝土三軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的破壞為局部剪切破壞。剪切面形成于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力構(gòu)成的平面內(nèi)。通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，三軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)高性能混凝土的強(qiáng)度和延性較單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下有明顯的改善。
　　6.對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了三軸拉壓壓試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，三種混凝土最大主

8、應(yīng)力方向的強(qiáng)度均遠(yuǎn)小于其單軸壓強(qiáng)度。隨著拉應(yīng)力的增加，最大主應(yīng)力方向的強(qiáng)度減小程度十分顯著。與三軸壓應(yīng)力狀態(tài)相比，三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)高性能混凝土的中間主應(yīng)力效應(yīng)并不明顯。與雙軸強(qiáng)度規(guī)律相似，隨著單軸壓強(qiáng)度的增加，三軸壓相對強(qiáng)度逐漸減小。三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)高性能混凝土呈受拉破壞模式，試件中部出現(xiàn)一條垂直于拉應(yīng)力方向的宏觀主裂紋。同時(shí)，在三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，由于拉應(yīng)力的存在，混凝土的剛度和延性均明顯降低，表現(xiàn)出明顯的脆性特

9、性。
　　7.基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析獲得了雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則。通過對Ottosen強(qiáng)度準(zhǔn)則的修正，獲得了適用于高強(qiáng)高性能混凝土多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則，并與已有模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)新提出的強(qiáng)度準(zhǔn)則與試驗(yàn)結(jié)果的符合程度最好。
　　8.通過對適用于普通混凝土的正交各向異性增量本構(gòu)模型的修正，得到了適用于高強(qiáng)高性能混凝土的多軸本構(gòu)模型。通過編制程序計(jì)算發(fā)現(xiàn)，理論模型與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，具有較好的適用性。
　　9.采用大型