高強高性能混凝土多軸應力狀態(tài)下力學性能試驗和理論研究.pdf

1、混凝土是土木工程中應用最為廣泛的建筑材料之一。隨著工程技術的快速發(fā)展，高層建筑、海洋平臺、大跨度橋梁及其他特種結構等大型復雜構筑物不斷涌現，這對混凝土材料的強度和耐久性提出了更高的要求。普通混凝土由于強度低、耐久性較差等缺點已不能滿足大型復雜構筑物的要求。高強高性能混凝土的出現，彌補了普通混凝土的不足，能夠滿足現代工程結構的強度、剛度及耐久性的要求，已逐漸在大型復雜結構中得到應用。混凝土結構中，混凝土采用一般處于多軸應力狀態(tài)，研究混凝土

2、在多軸應力狀態(tài)下的力學響應及本構關系，是對復雜結構進行計算分析和設計的基礎。目前，高強高性能混凝土多軸力學性能方面的研究較為有限，開展對高強高性能混凝土復雜應力狀態(tài)下力學性能的研究顯得尤為重要。
　　本文從試驗研究、理論分析、數值模擬三方面出發(fā)，研究了高強高性能混凝土的多軸力學性能。主要研究成果如下:
　　1.通過劈裂抗拉試驗和壓剪試驗研究，獲得了粗骨料與硬化水泥凈漿之間界面的劈裂抗拉強度和抗剪強度，分析了粗骨料類型、水灰比

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

4、隨應力比呈先增加后減小的趨勢。從破壞模式來看，雙軸壓應力狀態(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。隨著應力比的增加，裂紋面與主軸方向的夾角逐漸減小。從應力應變響應來看，雙軸壓應力狀態(tài)下，側向約束的施加對高強高性能混凝土的受壓性能和延性性能均有一定的改善。
　　3.對高強高性能混凝土進行了雙軸拉壓試驗研究。研究結果表明，雙軸拉壓應力狀態(tài)下，最大主應力方向的極限強度均小于單軸

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

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

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

8、應力方向的強度均遠小于其單軸壓強度。隨著拉應力的增加，最大主應力方向的強度減小程度十分顯著。與三軸壓應力狀態(tài)相比，三軸拉壓壓應力狀態(tài)下，高強高性能混凝土的中間主應力效應并不明顯。與雙軸強度規(guī)律相似，隨著單軸壓強度的增加，三軸壓相對強度逐漸減小。三軸拉壓壓應力狀態(tài)下，高強高性能混凝土呈受拉破壞模式，試件中部出現一條垂直于拉應力方向的宏觀主裂紋。同時，在三軸拉壓壓應力狀態(tài)下，由于拉應力的存在，混凝土的剛度和延性均明顯降低，表現出明顯的脆性特

9、性。
　　7.基于試驗數據的回歸分析獲得了雙軸應力狀態(tài)下的強度準則。通過對Ottosen強度準則的修正，獲得了適用于高強高性能混凝土多軸應力狀態(tài)下的強度準則，并與已有模型進行對比，發(fā)現新提出的強度準則與試驗結果的符合程度最好。
　　8.通過對適用于普通混凝土的正交各向異性增量本構模型的修正，得到了適用于高強高性能混凝土的多軸本構模型。通過編制程序計算發(fā)現，理論模型與試驗結果較為一致，具有較好的適用性。
　　9.采用大型