钢筋混凝土多轴强度破坏准则的研究进展及工程应用

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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。
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机架焊接整体结构，三轴 刚性连接
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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。
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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。
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，
前者较准确，但量程有限，适用于二轴试验和三轴拉／压试验；
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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。
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2、真三轴试验装置 试验装置的构造见图。
Krupp通用建筑 公司
◆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。
混凝土多轴试验中，行之有效的减摩措施有4类：
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0pp.t2课件mm）中间加二硫化钼油膏，15分 小块的不锈钢垫板等。
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：
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。
成为应变量测的难点。试验中一般采用两类方法：
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。
混凝土的多轴强度，多轴破 坏准则的研究及工程应用
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参考资料
• 过镇海 《混凝土的强度和本构关系》 • 郭成举 《混凝土的物理和化学》 • GB50010-2010(混凝土结构设计规范)
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内容结构
• 概述 • 实验技术和方法 • 混凝土强度的一般规律 • 典型破坏形态及界分 • 破坏准则 • 研究进展及工程应用
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概述
实际工程结构中，构件的受力多为复杂 的受力情况。而混凝土在复杂受力状态下 的强度及破坏形式与单轴应力状态下的表 现形式截然不同，因此研究、分析混凝土 的多轴强度及破坏准则十分必要。
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◆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；
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一、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 态分为两大类（p35） 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。
混凝土试件一般为边长50～150 mm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 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。ppt课但件 是为了获得混凝土的真14 三轴性能，却又缺之不可。
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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
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。
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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ห้องสมุดไป่ตู้占用空间，方便试 验。