混凝土原理与设计04.1多轴强度讲解

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1、第4章 多轴强度和本构关系 4. 1 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： 1、常规三轴试验机 s1 = s2 s3 或 s1 s2 = s3 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 机架焊接整体结构，三 轴刚性连接 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 (2). 施加拉力 (3). 应力和应变的量测 (4). 应力（变）途径的控制 (5). 试件的尺寸 (6). 试件受力

2、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； 4.2 强度和变形的一般规律 混凝土的多轴强度是指试件破坏时三向主应力的最 大值: 用 f1， f2， f3 表示， 相应的峰值主应变为：1p，2p，3p。 符号规则为： 受拉为正、受压为负 国内外发表的混凝土多轴试验资料已为数不少，但 由于所用的三轴试验装置、试验方法、试件的形状和 材料等都有很大差异，混凝土多轴性能的试验数据有 较大离散性。尽管如此，混凝土的多轴强度和变形随 应力状态的变化仍有规律可循，且得到普遍的认同。 3 2 2 3 1 1 4.2.1二轴应力状态 1.二轴受压(C/C, 1 =0) 3 2 随应力比

3、例的变化规律为： 2 /3 =00. 2 f3随应力比的增大而提高较快； 2 /3 =0. 2 - 0. 7 f3变化平缓， 最大抗压强度为(1. 251. 60) fc，发生在2 /3 0.30.6之间， 2 /3 =0. 71. 0 f3随应力比的增大而降低。 2 /3 = 1 (二轴等压) fcc=(1.151.35) fc fcc 混凝土二轴受压的应力 -应变曲线为抛物线形， 有峰点和下降段，与单轴 受压的应力-应变全曲线 相似。 试件破坏时，最大主压 应力方向的强度f3和峰值 应变3p，大于单轴受压的 相应值(fc,p ）； 初始斜率随应力比2 / 3增大； 双轴压状态下的抗拉 延性

4、比单轴压状态下大 得多； 两个受力方向的峰值应变 2p，3p随应力比例(2/3 )而 变化； 3p的变化曲线与二轴抗压 强度的曲线相似，最大应变值 发生在2/3 0.25处，应变 3p在数值上最大； 因为在2/3 =0.51.0 2/3 =00.2 只有2/3 0.25左右，由于2 值适中，限制了该方向的拉断 ，又不致引起3 方向的突然崩 碎，从而使3方向的峰值应变 值3p最大。 沿1（0应力）方向的突然破坏 沿2方向的突然脆性拉断破坏 两个受力方向的峰值应变 2p，3p随应力比例(2/3 )而 变化； 3p的变化曲线与二轴抗压 强度的曲线相似，最大应变值 发生在2/3 0.25处，应变 3p

5、在数值上最大； 因为在2/3 =0.51.0 2/3 =00.2 而2p由单轴受压（ 2/3 =0)时的拉伸逐渐转为压缩变形 ，至二轴等压（ 2/3 =1)时达 最大压应变2p= 3p ，近似直 线变化。 沿1（0应力）方向的突然破坏 沿2方向的突然脆性拉断破坏 混凝土二轴受压的体 积应变（v1+2+3） 曲线也与单轴受压体积 应变曲线相似。 在应力较低时，混凝 土泊松比s 1 2 3） 混凝土的三轴抗压强度 f3 随应力比1/3和2/3变化如图， 其一般规律为： 随应力比（ 1/3 ）的加大，三 轴抗压强度成倍地增长； 第二主应力（2或2/3 ）对混凝土三轴抗 压强度有明显影响。当1/3 =

6、const，最高抗 压强度发生在2/3 =0. 30. 6之间，最高和 最低强度相差20%-25； 当1/3 = const时，若1/3 0.15，则2 1时的抗压强度低于23时的强度，即图 中1/3等值线的左端低于右端；反之，若 1/3 0.15，等值线的左端高于右端。 3 2 2 3 1 3.三轴拉压 (T/C/C，T/T/C) 有一轴或二轴受拉的混凝土三轴拉压试验，技术难度大， 已有试验数据少，且离散度大。其一般规律为： 任意应力比下的混凝土三轴拉压强度分别不超过其单轴强 度，即T/C/C T/T/C 随应力比1 /3 的加大，混凝土的三轴抗压强度 f3 很快 降低； 第二主应力2 不论

7、是拉 压或应力比（ 2/3 ）的 大小，对三轴抗压强度f3的 影响较小，变化幅度一般在 10以内。 3 2 2 3 1 混凝土在三轴拉压应力状态下，大部分是拉断破坏，其应 力-应变曲线与单轴受拉曲线相似。 3 2 2 3 1 4、三轴受拉(T/T/T) 混凝土的三向主应力都是受拉（ 1 2 3 0)的状况，在实际结构工程中极少可能出现。 有关的试验数据极少，文献给出的混凝土三轴 等拉强度为： 总结混凝土在各种应力状态下的多轴强度和变形性能，可概括 其一般规律： 多轴强度： 多轴受压(C/C，C/C/C)强度显著提高( f3 fc)； 多轴受拉(T/T，T/T/T)强度接近单轴抗拉强度(f1 f

8、t）； 多轴拉/压 (T/C，T/T/C,T/C/C)强度下降( f3 fc , f1 ft)。 多轴变形: 应力-应变曲线的形状和峰值应变值取决于应力状态和其破坏形态 ，分成三类： 拉伸类：同单轴受拉，曲线陡直，峰值拉应变为10) 3.片状劈裂 主应力2为压，且能阻止在2的垂 直方向发生受拉裂缝，沿1方向产生 较大的拉应变1 。 4.斜剪破坏 (1 3 )较大，有剪切错动的痕迹。 5.挤压流动 1和2都大，三方向的主应变均为压 缩。在很高的压应力作用下，混凝土内 的部分水泥砂浆和软弱粗骨料将因更高 、且不均匀的微观应力而发生局部破碎 ，产生很大的压缩变形和剪切移动，试 件的塑性变形大增。 如果从混凝土破坏过程的主要受力原因和裂缝的特征分析， 可归纳为两种基本破坏形态： 主拉应力产生的横向受拉裂缝引发的拉断破坏； 主压应力产生的纵向劈裂裂缝引发的破坏，包括柱状压坏、 片状劈裂、斜剪破坏和挤压流动等。挤压流动是一种特例，侧 向压应力将纵向劈裂裂缝压实，不明显表露。 这两种基本破坏形态的典型代表为单轴受拉和受压。 3 2 2 3 1 主要是主拉应力1作用 3 1 、 2 2为压，且能阻止在2的垂 直方向发生受拉裂缝， 主应力1较大可阻止发生片 状劈裂破坏，但1和3的差 值大， 混凝土三轴受压，且1和2 都大，三方向的主应变均为 压缩。