大骨料混凝土在动态三轴拉压压应力状态下的强度.pdf

第 1 8卷第 5期 2 0 1 5年 1 O 月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATE RI AL S Vo 1 1 8。 No 5 Oc t 。 2 0 1 5 文章 编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 7 2 1 0 6 大骨料混凝土在动态三轴拉压压 应 力状态 下的强度 宋玉普 ， 段 小亮 ， 施林林 ( 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 ： 采 用 大型 混凝 土静 、 动 态三 轴液 压伺 服试 验 系统 ， 比较 了大骨料 混凝 土试 件 和 湿 筛二 级 配混 凝土试件在动态三轴拉压压应力状态下的强度特征 结果表 明： 2种试件的破坏均为典型的拉伸破 坏 ， 裂 缝 垂直 于拉 应 力方 向 ； 动 态抗 拉 强度 随应 变率 的 增 大 而 增 大 ， 随 压应 力 的增 大 而减 小 ； 抗 拉 强度增长系数与应 变率比的对数呈线性关 系； 大骨料混凝土试件的动 态抗拉 强度及其对应变率的 敏感性均比湿筛二级配混凝土试件 的要 小 在八 面体应 力空间中建立 了破 坏准则， 为大体积结构 的非 线性 分析 和抗 震设 计提 供 了试 验依 据 关 键 词 ：大骨料 混凝 土 ；动 态三 轴拉 压压 ；强度 ； 破 坏 准则 中图 分类 号 ： TV4 3 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 5 0 0 1 S t r e ng t h o f La r g e Ag g r e g a t e Co nc r e t e u n de r Dy n a mi c Tr i a xi a l Co mp r e s s i o n - Co m p r e s s i o n Te n s i o n S t r e s s S t a t e SON G Yupu，D UAN Xi ao l i an g ， SH I Li nl i n ( S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f C o a s t a l a n d Of f s h o r e E n g i n e e r i n g ，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：S t r e n g t h s o f l a r g e a g g r e g a t e c o n c r e t e s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g we t s c r e e n e d c o n c r e t e s we r e s t u d i e d e x p e r i me n t a l l y S p e c i me n s we r e s u b j e c t e d t o d y n a mi c t r i a x i a l c o mp r e s s i o n c o mp r e s s i o n - t e n s i o n s t r e s s ， u s i n g l a r g e c o n c r e t e s t a t i c a n d d y n a mi c t r i a x i a l s e r v o t e s t s y s t e mRe s u l t s s h o w t h a t f a i l u r e s o f t h e t wo k i n d s o f c o n c r e t e s a r e t y p i c a l t e n s i l e f a i l u r e s ，a n d t h e c r a c k s a r e p e r p e n d i c u l a r t o t h e t e n s i l e s t r e s s d i r e c t i o n The i r dy na mi c t e ns i l e s t r e n gt h i nc r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e o f s t r a i n r a t e，a nd de c r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e o f c o mp r e s s i v e s t r e s s Th e i n c r e a s i n g c o e f f i c i e n t o f t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e l o g a r i t h m o f s t r a i n r a t e r a t i o a r e i n l i n e a r r e l a t i o n s h i p Dy n a mi c t e n s i l e s t r e n g t h a n d i t s s e n s i t i v i t y t o s t r a i n r a t e o f l a r g e a g g r e g a t e c o n c r e t e s a r e l o we r t h a n t h o s e o f t h e we t s c r e e n e d c o n c r e t e s By f i t t i n g t h e e x p e r i me n t a l d a t a ，f a i l u r e c r i t e r i a i n o c t a h e d r a l s t r e s s s p a c e we r e e s t a b l i s h e d，wh i c h p r o v i d e s a n e x p e r i me n t a l b a s i s f o r n o n l i n e a r a n a l y s i s a nd s e i s mi c d e s i gn o f m a s s c onc r e t e s t r uc t u r e Ke y wo r d s：l a r ge a g gr e ga t e c on c r e t e；d yn a m i c t r i a xi a l c o mpr e s s i o n - c ompr e s s i o n- t e ns i o n；s t r e ng t h；f a i l u r e c r i t e r i on 大型混凝土结构， 特别是水工大体积混凝 土结 构 ， 在使用过程 中除了承受静态荷载的作用外 ， 还要 承受复杂的动态荷载的作用。 动态荷载对 混凝土 的 力学性能影响较大 ， 如拱坝有些部位处于动态多轴 拉压应力状态， 而这种状态下 的混凝土抗拉强度低 于单轴抗拉 强度 ， 其 抗压 强度 也低 于单 轴抗 压强 收稿 日期 l 2 0 1 4 - 0 1 0 9 I修订 日期 ： 2 0 1 4 0 3 0 4 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 9 0 1 9 ) 第一作者 ； 宋玉普( 1 9 5 6 一) ， 男 ， 辽宁本溪人 ， 大连理工大学教 授， 博士生导师 ， 博 士 主要从事混凝 土结构基本 理论的研究 E - ma i l ： s y u p u d l u t e d u a n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 2 建筑材料学报 第 1 8卷 度 1 对混 凝土 在 动 态 多轴 应 力 状 态下 的 强度 和变 形状态的研 究较多 2 ， 但大多集 中在普 通混凝 土 上 由于骨料密度不同， 大骨料混凝土与小粒径骨料 混凝土性能差异较大 有关资料 9 表明： 全级配大坝 混凝土试件的抗压强度普遍低 于湿筛小试件， 平均 降幅可达 2 O 左右 ， 而其抗 拉强 度 的平 均降 幅更 大， 可达 3 O 以上 本文 比较 了大骨料 混凝土和湿 筛二级配混凝土在动态三轴拉压压应力状态下的动 混凝土的破坏准则 ， 为大体积混凝土 的设计提供 了 试 验 和理论 依 据 1 试验 1 1 试 件设 计 大 骨料混 凝 土采用 大坝 水位 变化 区常 用 的三 级 配混凝土， 配合 比参照文献 1 0 3 ， 见表 1 湿筛二 级 配混凝土的配合 比采用筛除粒径大于 4 0 mm 骨料 态强度特征 ， 并给 出了大骨料混凝土和湿筛二级配 后的大骨料混凝土配合 比 表 1 兰级 配混凝土 的配合 比 Ta b l e 1 Mi x pr o p o r t i o n o f t h r e e g r a d e d c o nc r e t e 。 kg n l 按照断面最小边长尺寸不得小 于骨料最大粒径 的 3倍和均匀拉伸段不得小于断面边长的要求 1 ， 试件采用棱 柱体 试件 ， 大 骨料混 凝 土试件 尺寸 为 2 5 0 mm2 5 0 mm4 0 0 mm， 湿筛二级配混凝土试 件尺寸为 1 5 0 mm1 5 0 mm3 0 0 mm 目前实现混 凝土受拉的办法有放大试件端部 、 嵌入预埋件 、 胶黏 和摩擦锚夹等 1 引 通过 比较 ， 本试验采用嵌 入预埋 件的方法 ， 在棱柱体试件的两端各预埋 4 根螺栓 ， 为 消除在局部引起 的应力偏差， 用钢筋按顺序将螺栓 焊接 ， 如图 1所示 在浇筑过程 中， 用专用 的夹具将 螺栓固定 ， 以免试件晃动产生初始偏心 S t e e l b a r l 0 ) I 1 2 1 1 。 0 1 B o l t ( 1 2 ) 图 1试 件 示 意 图 Fi g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s p e c i me n ( s i z e ： mm) 所有试件均按 D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 O 1 3 ) 时 ， 大骨料混凝 土比湿筛二级配混 凝土动态抗拉强度降低的比例随应变率 的变化无明 显规律性， 但其变化值不超过 1 2 由表 2还 可 看 出 ： 应 变 率 相 等 时 ， 在 等 侧 压 ( 口 一 ) 的条件下 ， 混凝土的动态抗拉强度随一 、 一 主应力 比( ： ) 的增大而增大 ， 且增大的幅度均 在 1 0 0 以上 ； 应变率相等时 ， 在一、 三主应力 比不 变( ： 。 一0 1 0 ) 的条件下 ， 混凝 土的动态抗拉强 度随第二主应力的增大而减小 ， 但减小幅度不 大， 均 在 2 O 3 5 之 间 2 4 动 态抗拉 强 度的率 效应 由表 2可知， 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝 土的动态抗拉强度均随应变率 的提高而增大， 但大 骨料混凝土动态抗拉强度增大的百分比小于湿筛二 级配混凝土， 即在动态三轴拉压压状态下 ， 大骨料混 凝土动态抗拉强度对应变率的敏感性小于湿筛二级 配混凝 土 ； 三轴 应力 比 ( ： 。： ) 发 生变 化 时 ， 大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 宋玉普 ， 等 ： 大骨料混凝土在动态三轴拉压压应力状态 下的强度 7 2 5 骨料混凝土动态抗拉强度随应变率增大而增大的百 分比变化不大， 即大骨料混凝土动态抗拉强度对应 变率的敏感性受应力 比的影响不大 ； 在等侧压 ( 一 。) 的条件下， 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝土动 态抗拉强度 的增大值 随一 、 三主应力 比( 口 ； 。 ) 的 增大而逐渐靠近 3 八面体 空间破 坏准则 从以上分析可以看出， 在动态三轴 拉压压应力 状态下 ， 第二主应力对混凝 土动态抗拉强度的影响 不可忽略， 因此在建立动态破坏准则时必须考虑第 二主应力 的影 响 本试验在八面体应力空间中建立 破坏准则， 将表 2中的动态抗拉强度转化为八 面体 正应力 ( ) 和八面体剪应力 ( r o 。 ) ， 计算公式如下 ： 1 。 一 ( 口 l +d 2 + 3 ) ( 2 ) o 1 ， ro c 一 ( 一0 2 ) +( m) 。 +( 0 3 一o 1 ) 专 ( 3 ) 0 根据以往关于大骨料混凝土动态破坏准则的研 究 ， 通过八面体 应力 与混凝 土立方 体抗 压强度 ( f o ) 的比值来消除不 同混凝土强度 的影 响， 得 到了 考虑应变率 比( e ) 影响的破坏准则 对于湿筛二级配混凝土 ， 有： _ c o t 一 0 0 5 7 6 0 5 6 8 3 + e ，!d 、 0 0 1 8 3 l g ( ) ， 、I gt ， R。一 0 9 1 5 8 ( 4 ) 对于大骨料混凝土， 有 ： _ c o t 一 0 0 5 7 5 0 5 5 6 9 + e c jd 、 0 0 1 1 5 1 g ( l ， 、 E t ， R 一 0 8 8 5 0 ( 5 ) 4 结论 ( 1 ) 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝 土在动态 三轴拉压压应力状态下 的破坏形态均为典 型的拉伸 破坏 ， 破坏面上骨料破坏 的比例随应变率的增 大而 增大 相 同应变率下 ， 与湿筛二级配混凝土相 比， 大 骨料混凝土破坏面上骨料破坏的比例较小 ( 2 ) 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝土 的动态 抗拉强度均随应变率的提高而增大 ， 抗 拉强度增长 系数均与应变率比的对数呈线性关系 ( 3 ) 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝土 的动态 抗拉强度均小于其单轴抗 拉强度 且 大骨料混凝土 较湿筛二级配混凝土的动态抗拉强度低 当拉应力 与两侧压应力 比值较小( O 0 5 O 1 3 ) 时 ， 动态抗拉 强度降低的比例随着应变率的提高而增大 ( 4 ) 应变率相 同时 ， 在 等侧压条件下 ， 混凝土的 动态抗拉强度随拉压应力比的增大而增大 ； 当一、 三 主应力 比不变 时， 混凝土 的动态抗拉强度 随第二主 应力 的增大而减小 ， 但减小幅度不大 ( 5 ) 在动态三轴拉压压应力状态下 ， 大骨料混凝 土的动态抗拉强度对应变率 的敏感性较小， 且受应 力比的影响不大 ； 大骨料混凝土和湿筛二级配混凝 土对应变率的敏感性 随一 、 三主应力 比的增大而逐 渐靠近 ( 6 ) 在八 面体应力空间 中分别建 立了大骨料混 凝土和湿筛二级配混凝土在动态三轴拉压压应力状 态下 的破坏准则 ， 为水工混凝 土多轴动态强度的理 论设计提供了依据 参考 文 献 ： 1 宋玉普 混凝土 的动 力本 构关 系和破 坏 准则 ( 下册 ) M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 1 3 ： 1 1 8 1 3 4 SONG Yu p u Th e c o n s t i t u t i v e mo de l e q u a t i o ns a nd f a i l u r e c r i t e r i a o f c o n c r e t e ( I I ) E M B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 1 3 ： 1 1 8 1 3 4 ( i n Ch i ne s e ) 2 宋玉普 多种混凝土材料 的本构关 系和破坏准 则 M 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 2 ： 3 2 - 1 1 7 SONG Yu p u Th e c o n s t i t u t i v e mo de l e q u a t i o ns a nd f a i l u r e c r i t e r i a o f mu l t i f o r m c o n c r e t e ma t e r i a l s M B e ij i n g ：C h i n a W a t e r& P o we r Pr e s s ， 2 0 0 2： 3 2 一 I 1 7 ( i n Ch i n e s e ) 3 宋玉普 ， 吕培印 ， 侯景鹏 有侧 压混凝土 的变速率 劈拉强度试 验及其破坏准则研究 J 水利学报 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 5 SONG Yu p u。LU Pe i y i n，HOU J i n g p e n gCo n c r e t e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d f a i l u r e c r i t e r i o n f or d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e a n d l a t e r a l s t r e s s 1 J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g in e e r i n g ， 2 0 0 2 ( 3 )： 1 5 ( in Chi n e s e ) 4 尚世 明， 宋玉普 混凝 士 双轴拉 压动 态强 度及破 坏准 则试 验 E J 沈阳建筑大学学报 ； 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 5 ) ： 7 8 2 7 8 7 SHANG S h i mi ng S ONG Yu p u Ex p e r i me n t a l s t u d y o c o n c r e t e d y n a mi c s t r e n g t h a n d f a i l ur e c r i t e r i o n u n de r b i a xi a l t e n s il e c o mp r e s s i v e l o a d E J 1 J o u r n a l o f S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 1 2， 2 8 ( 5 )： 7 82 7 8 7 ( i n Ch i n e s e ) 5HE Z h e n j u n ，S ONG Y u p u Mu h i a x i a l t e n s i l e - c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s a n d f a i l u r e c r i t e r i o n o f p l a i n h i g h _ p e r f or ma nc e c o n c r e t e b e f o r e a n d a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e s J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s 2 0 1 0 2 4( 4)： 4 98 5 0 4 6 S HANG S h i mi n g ， S ONG Y u p u D y n a mi c b i a x i a l t e n s i l e - c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d f a i l u r e c r i t e r i o n o f p l a i n c o n c r e t e J Co n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3， 4 0： 3 2 2 - 3 2 9 7 YAN Do n g mi n g ， L I N Ga o ， C HE N Ge n d a Dy n a mi c p r o p e r t i e s o f p l a i n c o n c r e t e i n t r i a x i a l s t r e s s s t a t e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 09， 1 06 ( 1 ) ： 8 9 9 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 6 建筑材料学报 第 1 8卷 8 C HEN Z h a n g f u s h e n g ， HU Y u ， L I Qi n g b i n ， e t a 1 B e h a v i o r o f c o n c r e t e i n wa t e r s u b j e c t e d t o d y n a mi c t r i a x i a l c o mp r e s s i o n J J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ，2 0 1 0 ，1 3 6( 3) ： 3 7 9 3 8 9 9 AC I C o mmi t t e e 2 0 7 Ma s s c o n c r e t e ， Re p o r t AC I 2 0 7 1 R- 9 6 R De t r o i t ： Ame r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 8 7 1 0 宋玉普 ， 徐秀娟 ， 刘浩 冻融循环 后全级 配混凝 土及 其湿筛 混 凝士 的力学性能 比较 J 水利学报 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 ) ： 6 9 7 5 S ONG Yu p u ， X U Xi u j u a n ， L I U Ha o C o mp a r i s o n o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f u l l y - g r a d e d c o nc r e t e a n d we t - s c r e e ne d c o n - c r e t e J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 ) ： 6 9 7 5 ( i n Ch i n e s e ) 1 1 DL T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规范I s DI T 5 1 5 O 一2 O O l Te s t c o d e f o r h y d r a u l i c c o n c r e t e C S ( i n Chi n e s e ) 1 2 WARD M A Th e t e s t i n g o f c o n c r e t e ma t e r i a l s b y p r e c i s e l y c o n t r o l l e d u n i a x i a l t e n s i o n D L o n d o n ： T h e Un i v e r s i t y o f Lo n d o n， l 9 6 4 1 3 囝东明 ， 林 皋 ， 王哲 ， 等 不 同应变速率下混凝土直接拉伸试验 研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 6 ) ： 9 7 1 0 3 1 4 1 5 1 6 YAN Do ng m i n g， LI N Ga o， W ANG Zhe ， e t a l 。A s t u d y o n d i r e c t t e n s i l e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a t d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s L J j C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 6 ) ： 9 7 - 1 0 3 ( i n C h i ne s e ) 肖诗 云， 林皋 ， 王哲 ， 等 应变率对混凝土抗拉特性影 响 J 大 连理工大学学报 ， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 XI AO Sh i y u n， LI N Ga o， W ANG Z he ， e t a 1 Ef f e c t s o f s t r a i n r a t e o n d y n a mi c b e h a v i o r o f c o n c r e t e i n t e n s i o n J J o u r n a l o f Da l i a n Uni v e r s i t y o f Te c h no l o g y， 2 0 0 1， 41( 6) ：7 2 1 72 5 ( i n Ch i n e s e ) Z HANG J ， LI U Q， WANG LEf f e c t o f c o a r s e a g gr e g a t e s i z e o n r e l a t i o n s h i p be t we e n s t r e s s a n d c r a c k o pe n i n g i n n o r ma l a n d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 5， 2 1 ( 5 )： 6 9 卜7 0 0 尹翠 大骨料混凝 土 双轴 应力 状 态下 的 动 态性 能试 验 研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 1 3 YI N Cu i Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e b e ha v i o r o f l a r g e a g g r e g a t e c o n c r e t e u n d e r d y n a mi c b i a x i a l s t r e s s s t a t e s D Da l i a n： Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 2 0 1 3 ( i n Ch i ne s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m