04.1多轴强度 哈工程 混凝土

二轴应力状态试验时．也可采用板式试件，最大尺寸 为200 mm× 200 mm× 50 mm。
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， 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。
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 三轴试验的成败。主要的技术难点和其解决措施有：
第4章 多轴强度和本构关系
4.1概述
◆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；
◆梁、板、柱构件，混凝土事实上处于二维或三维 应力状态；
◆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；
◆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， 却又过高地估计多轴拉-压应力状态的强度，埋下不安 全的隐患，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 论研究，取得的研究成果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 范CEB-FIP MC90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 成果应用于工程实践中，取得了很好的技术经济效益。
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。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 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。因而，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。
4. 2试验设备和方法
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3个方向施加任意 的拉、压应力和不同的应力比例（σ1：σ2：σ3）。70年 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：
3000 kN / 2000 kN / 2000 kN
拉力为： 200kN / 200kN 混凝土试件一般为边长50～150 mm的立方体。进行
2、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
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 浆较多的表层（厚约2～4 mm），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 ≥5 mm后制成。
3、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， 成为应变量测的难点。试验中一般采用两类方法：
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：
1、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， 防止高压油进入试件裂缝，胀裂试件，降低其强度。
1、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
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 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。
混凝土多轴试验中，行之有效的减摩措施有4类：
①直接量测法，在试件表面上预留浅槽（深2～3 mm）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 粘贴电阻片（影响试件性能，应变片可能被破坏）；
②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，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； 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
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
（σ1:σ2:σ3 =const）单调加载、直到试件破坏。 应力比例由电-液控制系统实现，一般设备都具备这
一功能。有些设备还可进行多种应力（变）途径的试 验，例如三向应力变比例加载、恒侧压加载、反复加 卸载、应变或应变速度控制加载等。需要指出，应用 三轴试验装置也可以进行混凝土的单轴受压和受拉试 验，得到相应的强度值和应力-应变曲线。但是这些试 验结果与用标准试验方法得到的不完全一致，有些甚 至相差较大。这是因为两者的试验加载设备、试件的 形状和尺寸、量测精度、承压面的摩擦约束等条件都 不相同。在分析混凝土的多轴性能时，一般取可比性 强的前者作为对比标准。
试验采用圆柱体或棱柱体试件，
当试件三轴受压（C/C/C）时， 必有两方向应力相等，称为常 规三轴受压，以区别真三轴受 压试验。
如果采用空心圆筒试件，在筒
外或筒内施加侧压，还可进行 二轴受压(C/C)或拉／压(T/C)试 验。
2、真三轴试验装置 试验装置的构造见图。
60年代，Krupp 通用建筑公司
慕尼黑工大 （68年）
一框架弹性 悬挂在另一 框架上，钢 刷传力，可 减小不对称 应力。
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、 供油管路和控制系统。
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 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 验。
5、 试件的尺寸，即加载的空间很小（一般为 50~100mm），而承载力很大（1000~3000kN），要求 有较大而刚性的加载油缸和活塞）和承力（横梁和拉 杆）机构，造成构造上的困难；
6、试件受力后的变形过程中，要求三个方向施加 的力始终保持居中，不产生偏心作用；
自上世纪60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 果，为在《混凝土结构设计规范》GB-50010-2002 中 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 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 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 件。
①在试件和加压板之间设置减摩垫层； ②刷形加载板；
③柔性加载板；
④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
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2 mm）间加 二硫化钼油膏，三层铝箔（厚0.2 mm）中间加二硫化钼油膏，分 小块的不锈钢垫板等。
机架焊接整体结构，三轴 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
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 表试件的破坏荷载。
三轴分离试验装置：由三个独立的互不相连的机架
组成，在水平方向的两个机架，一个用缆绳悬挂起来， 另一个放置在滚动轴承上。垂直机架用平衡重物悬挂 起来，能适应试件在水平方向和垂直方向上受应力而 产生的变形。