混凝土单轴拉伸应力～变形全曲线试验的研究(可编辑)

混凝土单轴拉伸应力～变形全曲线试验的研究(可编辑) 混凝土单轴拉伸应力,变形全曲线试验的研究 摘要 摘要 本文介绍了用自行研制的简易拉伸试验装置,进行大尺寸混凝土试件轴向拉伸应力~ 变形全曲线的测试方法,试件尺寸为,并对试验曲线及其影响 因素进行了分析,论文主要工作以及成果包括以下几个方面: 详细阐述了实现混凝土轴向拉伸全曲线测试的试验条件以及常用的几种方法, 并简要介绍了本次试验所用的试验机的刚度和创新点。 对影响拉伸试验结果的种因素如荷载偏心,变形的量测标距等进行了比 较详尽的分析和总结,在此基础上提出了一些较为合理的试验措施,完成了大尺寸混凝土 轴拉全曲线的测试。 针对轴拉全曲线的特点,结合本次试验数据,对试验结果进行了拟合,得到了 一个物理意义明确,参数求解简单,具有一定使用价值的拟合曲线方程。 影响因素 连接方式 不连续点 关键词:混凝土单轴拉伸 应力~变形全曲线 数学模型?? , . : . /,? , . :学位论文独创性声明: 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容和文中的试验 数据外,本学位论文的研究成果不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成 果。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以 明确方式标明并表示了谢意。如不实,本人负全部责任。 。。年多月?日 论文作者签名: 因:蝰 学位论文使用授权说明: 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图馆、中国学术期刊光 盘版电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档,可以 采用彩印、缩印或其他复印手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的论文保密外,允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公开包括刊登授权河海大学研究生院办理。 论文作者签名: 年碉。,日 坠全第一章绪论 第一章绪论 .概述 混凝土是建设中广泛应用的一种建筑材料,其力学性能的研究对充分发挥材料强 度、降低工程造价、更合理地设计混凝土结构物具有十分重要的意义。 在众多的研究方法中,混凝土受力破坏过程中的应力~应变全曲线包括上升段和下 降段由于能够宏观地反映混凝土在各个受力阶段时的变形、内部微裂缝的发展、损伤累 积、最终破坏等一系列过程,同时又是分析和计算混凝土构件承载力和变形的重要参数, 因而备受研究者们的关注。 于年指出混凝土受压应力~应变全曲线在峰值点后存在下降 自从 段以来,国内外许多学者都在试验中测得了受压的应力~应交全 曲线,并用于结构分析, 从而在理论上揭示了混凝土在外荷载作用下导致破坏时内部结构的变化,加深了对混凝土 受压性能的全面认识,提供了对混凝土结构进行非线性分析的材性依据。 而长久以来,由于混凝土的抗拉强度低,极限变形小,破坏突然,它一向被认为是一 种脆性材料【。对混凝土抗拉性能的研究只限于抗拉强度值包括轴心受拉,劈拉和弯曲 抗拉强度和应力~应变的上升段曲线。造成这一问的主要原因:其一是普通混凝土的 抗拉强度仅为抗压强度的%~%,抗压强度越高,其比值就越小,所以在实际工程的 设计计算中没有十分强调混凝土的拉伸性能,也使得混凝土拉伸性能没有得到足够的重 视;其二由于混凝土轴拉试验对试验机刚度要求很高,试验方法复杂,试验过程受试验条 件影响很大等问题,使得混凝土拉伸曲线的研究起步较晚,资料也不多。 近年来,随着混凝土裂缝问题的日益突出,以及高拱坝等新型结构物的出现所带来的 一系列问题,混凝土的拉伸性能越来越被人们重视起来,主要在 于: 混凝土拉伸的各种性能参数已成为混凝土结构设计和耐久性研究等必不可少的 材料参数,对混凝土结构的安全起着重要的支配作用甚至决定作用。如混凝土高拱坝以及 混凝土核反应堆一类大体积混凝土建筑物,其应力情况往往比较复杂,有时不便配置钢筋 来抵抗拉力,只能通过混凝土自身的抗拉能力抵抗外荷载,在这种情况下,混凝土自身的 拉伸性能如峰值应变和峰值应力就成为混凝土高拱坝安全的决定因素。对己建的一些 建筑物的调查发现,许多由于抗拉强度和变形能力的不足导致开裂,一些抗裂要求较高的 河海大学硕士学位论文 结构甚至因为裂缝扩展而导致破坏,严重者甚至发生质量事故。 混凝土断裂力学这一新型学科的深入发展也迫切需要不同类型混凝土的拉伸软 化曲线。翻阅大量的试验资料可知:混凝土是典型的非均匀材料,其中含有微裂纹,甚至 有宏观的缺陷、气泡、孔穴、离析等。混凝土的强度、变形和破坏的性能都与裂纹的扩展 有着密切的关系,因此,一些学者考虑应用断裂力学的理论与方 法对混凝土裂缝的发展机 理及破坏过程进行研究,通过大量的实践研究,取得了很多有价值的研究成果。 目前,断裂力学在混凝土结构中已经得到了广泛的应用,主要表现在:一、研究混 凝土的破坏过程和断裂机理;二、判断在混凝土结构中某些严重裂缝的危害程度,如对闸 墩裂缝、大头坝劈头缝和原子能电站预应力混凝土压力容器裂缝等进行稳定性分析;三、 改进混凝土结构的设计方法,如判定混凝土浇注块的各种贯穿缝的稳定性和计算钢筋混凝 土的拉裂荷载等;另外人们还采用断裂力学方法改进重力坝和拱坝的设计方法【。 实际上,混凝土轴拉应力~应变关系对断裂力学的作用是不言而喻的。但是,不论是 修正的线弹性断裂力学模型,还是以瑞典隆德工学院等人为代表提出的描述混 凝土断裂过程区开裂过程的缝面软化模型, 在以往的研究计算过程中,混凝土软化段曲 线模型的参数往往较少,而且模型中的特征参数也常由经验确定,易造成较大的误差。因 此,必须针对工程中的实际问题准确测定所用混凝土的软化段曲 线,才可使得混凝土断裂 力学得到更有效的应用。 混凝土的拉伸性能的准确测定将为利用计算机对混凝土进行有限元分析提供最 基本的参数。随着计算机技术的迅速发展,一些大型的专业有限元软件如、 和等越来越多地用于各类混凝土以及钢筋混凝土结构的非线性全过程分析、 计算以及优化设计当中。在计算模型和基本假定中,轴拉混凝土的应力~应变全曲线是必 须首先确定的因素之一,因为它可以直接给出混凝土的主要特征值抗拉强度、峰值应 变、弹性模量、开裂应力以及变形等。 目前可通过诸如三点弯曲梁法、劈拉法、紧凑拉伸法等间接方法得到混凝土的拉伸和 断裂性能,但毫无疑问,轴向拉伸试验是用直接拉伸混凝土试件的方法测得极限抗拉强度 以及拉伸变形能力的,因此它也是测定混凝土的拉伸全过程曲线最直接、最客观、最完整 的方法网。自世纪年代起,国内外学者们相继采用这种方法得到了应力~应变或者 应力~变形全曲线,但由于受试验装置、测量技术、试件成型技术 等的影响,试验结果往 往具有局限性,有的结果甚至冲突、矛盾,而且无法进行大尺寸试件的试验研究目前最 大试件截面宽度仅为,使得至今还没有形成一套系统的、完整的试验测试理论, 第一章绪论 导致混凝土的轴向拉伸资料在工程中的应用受到了诸多的限制。而目前一些待建的大型水 利工程项目却迫切地需要成批的三级配或全级配大尺寸混凝土的轴向拉伸试验资料以确 定相应的设计参数,正是基于上述原因,笔者对三级配大尺寸混凝土的拉伸全曲线进行了 试验研究,希望能摸索出一套稳定、实用的试验,以期有所裨益。 .国内外研究现状 过去,在测定混凝土轴向拉伸应力应变全曲线的试验中,各机构采用普通液压试验机 加载,可以得到稳定的全曲线的上升段,而当试件的应力达到其极限强度之后,试件发生 脆裂破坏,使得应力~应变曲线的下降段无法量测,因此人们将混凝土视为脆性材料,把 混凝土的拉伸破坏误以为是达到极限抗拉强度的破坏,也理所当 然地将该点的应变定义为 极限拉伸应交。之所以产生这一问题,是由于在加载过程中试验机储存了大量的变形能, 而当试件到达极限强度之后,试验机因卸载而产生恢复变形,且其恢复变形的方向与试件 受拉变形的方向相同,如果试验机刚度小于试件的卸载刚度,则试验机的恢复变形量必将 大于试件的拉伸变形量,从而对试件产生很大的附加应变。试验机所储存的弹性能将迅速 释放,这一能量将大大超过试件稳定破坏所需要的能量。因此,试验机具有足够的刚度是 测定受拉应力~应变全曲线的关键。 年首次认为混凝土是一种弹塑性材料,并指出混凝土轴向受力全曲线存 在下降段,存在应变软化性能,而且发现试验机自身刚度不足是导致无法测得下降段的直 接原因。此后,试验机刚度是实现下降段测试的控制性因素的观点逐渐被广泛的接受。 毕卜绷碱妊一樽晦线镯一锭箍 图. 的试验装置简图 图热力加载装置河海大学硕士学位论文 早在年, 和 通过增设辅助刚性架首次发现混凝土的拉伸下降段, 随后和锄【以及..刀等人对普通材料试验机加以改进,在平行 于试件的方向增设刚性架,用以吸收试件开裂时释放的变形能,有效避免了应力峰值后试 件的不稳定开裂,成功测得了混凝土拉伸全曲线具体装置如图.所示,从而证明混 凝土受轴向拉伸时,不是在最大荷载处断裂,而是存在峰后软化现象,即达到混凝土的极 限拉伸强度以后,变形进一步增加,承载力逐渐减少,直至趋近于零时断裂,此时的变形 至少为峰值变形的?倍。 年代,和在平行于试件的方向安装了铝制框架,与以往的试验 不同的是,他们通过给框架加热来达到对试件间接加载的目的,由此来控制试件变形速度 完成了轴拉全曲线的测试。加热装置如图.。 八十年代,学者们逐渐发现,试验中经常出现试件断裂位置难以控制以及端部断裂现 象,美国人.等采用预置切口的办法,人为地在直径、高的试件中 】采用了变截面外 部外围切一个深、宽的圆环切口,而波兰人. 夹拉伸式的试件如图.,获得了很好的断裂位置,成功测得了轴拉全曲线。另外学者 们注意到,在荷载超过试件拉伸强度峰值后,试件的断裂速度相 对还是比较快的,如果手 工记录试验数据的话,将由于断裂速度太快而造成峰值后曲线段的数据太少,从而影响曲 线的形状,为了解决这个问题,..?】采用了数控伺服试验机,并在试件的中部 设置了四个线性可调差转换器,连接到计算机,利用信号的转换,用来高速的 记录试验数据,进而得到轴拉全曲线。通过研究,他发现,混凝土的轴拉破坏是由于一条 ’ 主裂缝的不断开展而造成的。 ? 图卜 .采用的变截面试件单位: 第一章绪论 年,.采用切口试件测出了轴拉全曲线,与以往不同的是,他不是 采用与试件相连的传感器记录变形,而是用激光双孔干涉仪来观察微裂缝的形成及发展, 他还总结了应力~应变全曲线与量测标距存在的依赖关系,如图所示。试验还发 现,用激光干涉仪量测到的变形比传感器测得的变形高一个数量级,微开裂区的应变比开 裂区外的应变高两个数量级,不管是混凝土试件还是砂浆试件均在峰值应力的百分之七十 左右发生微开裂,开裂区宽度为左右。 应力 应变 图不同标距下应力?变形曲线的比较引自. 进入年代以来,随着试验机的进一步智能化,先进的伺服试验机可由用户自编程 序进行多变量控制和试验结果的记录,更大程度上保证了试件的稳定断裂,也使真实模拟 混凝土的断裂过程成为了可能。.,..和.】在文献中指出,在试件 中部预设裂缝将掩盖混凝土受拉主裂缝产生的随机性,从而使得研究与混凝土失效过程密 切相关的损伤累积效应和应变区域化现象将成为不可能。因此,.等采用无缺口试件进 行轴向拉伸试验,并且,试件两端采用粘贴钢板传递拉力,混凝土的应力将更加均匀。因 此,试件在较大尺寸范围内各处断裂的可能性都存在,这就使得位移计的标距不能过小, 但正如上所述,大标距的反馈信号将使得试验机作动器位移控制滞后于试件裂缝张开位 移。为解决这一问题,研究者在试件的两个对面安装四个线性可 调差转换器, 并配合使用四个超声波探伤器,确定裂缝位置,通过试验机操作系统提供的自编程序控制 试验机的作动位移,实时使用检测到的可能发生裂缝的位移计的位移作为反馈信号,结果 表明,效果较好。 年,.和总结了带缺口和无缺口混凝土棱柱体试件的拉 河海大学硕士学位论文 伸结果,指出缺口对应力~应变全曲线形状、断裂能、断裂区位移来说影响较小,对于拉 伸强度,试验中确定的混凝土试件的缺口敏感性系数为.。 年代中期,科技大学的..和..习等人开展了一系 列的混凝土轴拉性能的研究,做了大量的试验,研究了试件尺寸、试件的偏心、不同的加 载速率、养护条件的差异等众多影响因素对轴拉性能的影响,与此同时,他们二人还比较 了循环加载与单调加载两种条件下的拉伸应力~应变曲线,得到加载的历史对应力~应变 曲线影响很小这个重要的结论。 年,.和.墙】分别在不同边界条件下对三种混凝土试件进行了拉 伸试验研究。试验表明,加载端头选择用固定端方式允许偏心加载与端头采用球铰相 对无偏心方式加载对混凝土试件的应力~变形受拉全曲线影响较大,偏心加载得到试件 峰值应力较轴心加载时的峰值应力值大.倍左右,同时混凝土拉伸曲线的下降段变得更 陡,图.和图.是试验者对相同试件采用不同边界方式的全过程曲线的比较。 羔 量 穴 杂 翅 圣 墨 捌 捌 变形: 变形: 图固定端下的应力~变形全曲线 图一铀球铰下的应力~变形全曲线 国内从八十年代起,才有人陆续开展了相关研究。虽然起步较晚,但是由于吸收了国 外先进的研究成果和理念,也取得了很多的研究成果。 清华大学的过镇海【等人,采用如图的试验装置,首次实现了混凝 土拉伸全过程 曲线的测试,最终通过大量的试验建立了全曲线的解析表达式;他指出试验结果之所以有 较大的离散性是因为混凝土自身的不均匀性,提出保证试件真正轴心受拉的重要性,并且 验证了量测标距对应力~应变全曲线有影响。 年,东南大学的钱春香等人采用与清华大学类似的方法,测得了截面为 第一章绪论 钢纤维增强的混凝土试件轴拉应力~变形全曲线。 年,河海大学的姚武【等人设计了一种并联四根刚性杆件的菱形卧式装置如 图.所示,部分解决了由于并联刚性杆件产生的对试验机加载能力需求过大的问题, 并探讨了断裂能与强度的关系以及断裂能尺寸效应等问题。 母 。???菱彤铰节框架 圉过镇海试验装置示意雷 图.姚武等人的轴拉试验装置 周士琼嘲等人采用如图示的试件,成功地进行了混凝土的轴心受拉应力~应变全 曲线试验,并给出了由混凝士抗压强度计算抗拉强度和受拉弹性模量的公式。他强调直接 利用普通万能试验机是可以成功进行混凝土轴拉应力~应变全曲线的测定的。河海大学硕士学位论文 引 匡 ? 。。题目?弋 。三岗 ??.。。?? 一?.一 制 乎忡 一 如 亨。一一如 ; 孵位 图周士琼等采用的试件尺寸 图尚仁杰等采用的试件尺寸 年,大连理工大学的尚仁杰、赵国藩【等人自行设计了加载装置,采用截面为无预设裂缝试件如图.示,在伺服式疲劳试验机上,成功地测得了 混凝土受轴向拉伸低周循环荷载作用时的应力~变形全曲线,并给出了全曲线方程以及在 下降段进行卸载与重新加载的曲线方程。试验证明:循环荷载作用下应力~变形曲线包络 线与单调荷载作用下的应力~变形全曲线基本一致。 年,陈萍阱瞎人对三级配混凝土的拉伸全曲线进行了试验研究,其中试件截面 尺寸达到,这是国内当时所做过的最大尺寸试件。陈萍仔细地分析了试验 机刚度弱化的原因,并且采用循环加载方式通过耗散混凝土弹性区能量和试验机变形能实 现了混凝土下降段的稳定测试,为原级配大试件×力学性能与变形特性 的研究积累了很好的经验。陈萍等人所用的轴拉试验装置如图.示。 上舔横鬃 ,荔向黎 .油隘千斤馍 混凝士瑗拄 .变雄舟 .附加刚缝枵僻 传力杼 .饿紫螺帽 。电潮千分寝 ,变形传感嚣 理伟 .蜂饺 ,力传感嚣 .下部横鬃 图.陈萍等人采用的轴拉试验装置 第一章绪论 在试验机技术飞速发展的同时,国内的一些专家学者对拉伸全曲线试验中各个影响因 素也进行了深入的研究,得到了一些有益的结论。 年,大连理工大学的肖诗云和林皋瞵等人利用伺服疲劳试验机对中部截面 尺寸为的哑铃型混凝土试件在不同应变率下进行了直接拉伸试验,详细分析 了不同应交率对混凝土试件抗拉强度和混凝土的吸能能力的影响。 闫东明跚等人在较大的应变速率范围内,系统研究了不同强度的混凝土单轴拉伸强度 和变形特性;从而建立混凝土拉伸强度、弹性模量、峰值应力处应变与应变速率间较为精 确的数学模型,详细分析应变速率与泊松比、吸能能力之间的关系,建立不同应变速率条 件下简便、适用的应力~应变关系模型。这对工程实践有较重要的实际意义,并为进一步 建立混凝土动态本构模型提供必要的试验依据。 彭勃【】等人对比分析了混凝土中单轴直接拉伸应力~应变全曲线试验中缺口试件和 无缺口试件的试验结果的差异,并对其原因进行了探讨。结果表明:虽然无缺口试件和带 缺口试件的拉伸应力~应变全曲线形状基本一致,但试件缺口对应力~应变全曲线试验结 果存在较大的影响,即该试验采用无缺口试件是非常必要。在随后的几年里,他又对试件 端部连接问题进行了深入的研究【嚣,明确指出内埋式和夹持式这两种连接方式可能造成加 载时较大的荷载偏心和端部应力集中,粘贴式连接方式比较而言是最好的端部连接方式, 他还对常用的粘贴式连接方式进行了改进,提出了一种双钢板粘贴式试验机~试件连接方 式,经其试验证明,采用这种方法在拉伸试验之初能够有效避免荷载偏心。 混凝土的轴向拉伸试验是用直接拉伸试件的方法测定混凝土的抗拉强度和拉伸变形 能力的。它是测定混凝土拉伸性能的最直接、最客观、最有效的一种方法。国内外一些学 者相继用这种方法获得了应力一变形全曲线,但目前仅限于截面 尺寸较小的试件目前最 大截面尺寸为,大尺寸试件的受拉全曲线很少有机构涉及;且由于测试 技术、试件形状等等的不同,使得试验结果存在着矛盾和冲突之处,至今尚未形成一套完 整的、系统的测试理论。因此,设计一种受非材料因素影响较小的试验系统测定大尺寸原 级配混凝土的拉伸全过程,将有助于人们对大体积混凝土断裂性能的深入了解,也可为混 凝土或钢筋混凝土结构的非线性分析提供基本的参数。 .本文研究的主要内容 本文采用三级配混凝土棱柱体试件试件尺寸为,利用自 河海大学硕士学位论文 制的试验机,进行三级配混凝土的轴拉全曲线的测定。本次试验中的试件尺寸是迄今为止 国内所做过的同类试验中的最大尺寸。 针对混凝土轴拉全曲线结果存在较大离散性的特点,本文还对影响拉伸试验结果的有 关因素进行了总结分析,分别从试件离散、试件尺寸、荷载偏心、加荷速率、缺口、测量 标距等六个方面进行了较为详尽的讨论,针对试验中一些可予规范的试验程序提出了具体 的建议。 本次试验采用端部预埋钢筋的连接方式,试验过程中得到了较好裂缝位置,验证了这 种连接方式的可行性。 文章最后对所得的拉伸试验数据进行整理,并对整理后的数据进行拟合,将得出具有 一定实用性的简洁且物理意义明确的三级配大尺寸混凝土单轴拉伸数学模型。 另外,大量的试验表明,混凝土试件在轴拉情况下开裂于一条主裂缝,因此,在形成 宏观裂缝到最终试件断裂,测量混凝土试件的应变就失去了意义,因此,应当用一定标距 内位移表征混凝土的拉伸性能。 由上所述,本文统一混凝土单轴拉伸全曲线为混凝土单轴拉伸应力~变形全曲线。 第二章混凝土轴拉全曲线测试的试验条件与方法 第二章 混凝土轴拉全曲线测试的试验 条件与方法 混凝土轴向受拉应力~变形全曲线包括三个部分:曲线上升段、下降段以及下降 段的长尾部分如图.。在普通材料试验机上可以测定全曲线的上升段及峰值,却无法 测定出稳定的曲线下降段部分,而这也是混凝土轴拉全曲线的测定难点。本章将详细介绍 混凝土轴拉全曲线测试的试验条件以及测试方法,为本次试验作理论准备。 瓣力 变形 嘲混凝:轴如拇饷‘?啦经 .实现混凝土轴拉全曲线测试的试验条件 过去,试验者为测定混凝土棱柱体试件的拉伸应力~变形全曲线,通常采用普通液压 材料试验机进行加载,试验可以得到稳定的拉伸曲线上升段,而当试件应力达到其极限强 度之后,试件会发生突然性脆裂破坏,应力~变形曲线的下降段无法得到量测。之所以产 生上述问题,是由于在加载过程中试验机储存了大量的弹性变形能,而当试件应力达到抗 拉强度后,试验机将因卸载而产生恢复变形,且其恢复变形的方向与试件受拉变形方向相 同,如果试验机刚度小于试件的卸载刚度,则试验机的恢复变形能量将大于试件裂缝的开 裂所需能量,从而对试件产生很大的附加应变,试验机所储存的弹性能将迅速释放,这一 能量将大大超过试件稳定破坏所需要的能量,导致试件突然断裂破坏。因此,试验机具有 足够的刚度是测定拉伸应力~变形全曲线的关键。 图表示的是试验机系统的荷载~变形曲线,在试验过程中,试验机系统的刚度定 河海大学硕士学位论文 义为: :三, 如 其中.施加于试件的荷载, 凡为试验机因荷载而产生的变形。 由试验机的刚度可求得当变形为%时试验系统所消耗的能量为 %半雠: 图是一条单轴拉伸试验所获得的混凝土荷载~变形全曲线,当试件变形达/.。时所 需的能量为: 四。 在混凝土轴向拉伸试验中,有如鳓,为了使试件稳定地断裂则须满足: 掣叫小竿掣地 “ 由此可得稳定条件为: 一塑盟, . 劫 图试验机荷载~变形曲线 图混凝土试件荷载~变形全曲线 第二章混凝土轴拉全曲线溯试的试验条件与方法 也就是说,要使试件在峰后稳定的断裂,试验机的刚度必须大于曲线下降段的任意一 点的斜率,否则就会因为试验机刚度的不足,使得试件总在荷载到达峰值点后发生突然断 裂,导致应变软化段曲线无法测得。 由以上的分析可知,为实现混凝土轴向拉伸应力~变形全曲线的测试,保证混凝土的 稳定开裂,试验者必需采取措施达到加强试验机刚度的目的。 .轴拉全曲线的试验方法 从混凝土轴拉全曲线的研究进程来看,测定混凝土轴拉全曲线的方法主要有两类唧: 一提高试验机自身刚度 从增加试验机刚度出发,轴拉全曲线的测定可以采用如下三种方法: 采用刚性试验机 由.式可知: 。 足一试验机系统的刚度: 繇一一荷载~变形曲线下降段最陡斜率的绝对值。 能够满足此条件的试验机就是刚性试验机。 刚性试验机的整机以及各部件都必须按照所需刚度设计、制造。它结构简单,使用方 便,可以很好地用于混凝土截面尺寸较小的试件:但是缺点也非常明显,制造费用昂贵、 无法用于较大尺寸的混凝土试件。 普通试验机附以刚性组件 用附加刚性组件的方式,对现有的普通试验机进行改进,提高其刚度。这种方法是在 不改变原有试验机的结构性能的前提下,通过改变刚性组件的刚度,得到所需刚度的试验 系统。国内清华大学、大连理工大学等均采用此法完成了混凝土全曲线的测定。 自行研制刚性试验系统 自行设计制造满足要求的刚性框架,用于全曲线试验的测定。河海大学的梁正平、陈 玉泉等人就是采用此法完成了对轴拉全曲线的测定。它不仅可以根据试件的刚度、尺寸灵 活改进设备,而且能在试验现场临时组装,简单灵活,经济可行。 二采用伺服试验系统,控制变形速率 混凝土自身脆性较大,因此拉应力一旦达到极限抗拉强度,断裂就会在瞬间完成,所 河海大学硕士学位论文 以控制其开裂速率对完整记录它的应力~变形关系就至关重要。 将伺服系统与材料试验机相结合,利用一套闭合回路控制系统,根据试件的变形对加 载系统进行反馈控制。采用伺服试验系统进行混凝土轴拉试验,就是利用恒变形速率加载, 使得峰后裂缝的发展得到控制,不至于突然断裂,能够完整的记录下应力一变形全曲线。 这种方法试验成功率高,而且由于加载、测量、记录均由系统自动调节、控制,记录, 因而试验结果精度较高。但目前由于试验机加载能力以及试验空间等客观条件的限制,也 仅仅限于小尺寸试件的轴拉试验。 本文要进行截面尺寸为的大体积混凝土试件的轴拉试验,考虑到经 济可行的原则,决定采用自行研制的试验机,完成本试验。 .本次试验装置介绍 本次试验装置各组成部件和构成关系见图.和图.。 上框架 卡. 千斤项 ‘ 。 立柱 一 廿问 . 阻尼器 .上 钢棒 传感器 试件: : 垫板 地脚 习 縻 锁紧螺母 饧 经 “球铰 日 日 传力杆 : 下框架 图.试验装置各组件示意图 图试验装置效果图 该装置主要有以下两个创新点: .本装置采用阻尼器作为并联刚性组件。 .试件端部连接采用预埋钢筋方式。第二章混凝土轴拉全曲线测试的试验条件与方法 ..利用阻尼器作为并联刚性组件例 常规意义上的阻尼器是一种减振装置,它一般由缸体,活塞、阻尼孔,阻尼材料、导 杆等部分组成,活塞可在缸体内作往复运动,活塞上开有适量小孔作为阻尼孔,缸体内装 满流体阻尼材料。流体阻尼器对结构进行振动控制的机理是当活塞与缸体之间发生相对运 动时,由于活塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过,从而产生阻尼力,将结构 振动的部分能量通过阻尼器中粘滞流体阻尼材料与阻尼孔壁的粘滞耗能耗散掉,达到减少 结构振动地震或风振反应的目的【】。河海大学的陈玉泉等人对双出杆型粘滞型阻尼器 进行了改造,将缸体中的阻尼孔用双向型密封圈堵死,在阻尼器主缸体外加装外部油路, 并在外部油路中部设置针阀控制液压油在油路系统中的流动,改装后的阻尼器如图., .所示。 圈改装后的双出杆阻尼器削面 图 改装后的双出杆阻尼器河海大学硕士学位论文 相比较以往大量采用的刚性组件的方法,这类阻尼器的优点在于:在混凝土试件达到 峰值应力之前,让阻尼器自由伸缩,此时,阻尼器的刚度为零,测出的应力~变形曲线就 是混凝土试件的应力~变形曲线。当接近峰值强度的%左右时,关闭阻尼器阀门以增 加试验机的整体刚度,从而满足稳定开裂的要求,获得与加装刚性组件同样的效果。当外 油阀关闭时,该阻尼器将具有稳定的静态刚度,这种静态刚度有助于约束混凝土拉伸曲线 下降段因荷载下降导致的试验系统的回弹,保证试件的稳定断裂。 ..试件端部处理采用预埋钢筋方式 大量资料显示,成功的混凝土轴向拉伸试验主要是采用了以下三种试件端部连接方式 ,如图.示: 端部摩擦夹持式:通过试验机加载夹具与试件端部侧面的摩擦力来传递拉力,这种连 接方法虽然能够得到较好的轴心拉伸荷载,但是由于在夹持处容易产生应力集中,断裂易 于发生在试件夹持部位进而影响试验继续进行。为降低试件夹持 部位断裂发生的概率,部 分研究者采用变截面试件增加夹持部位截面尺寸或带缺口试件,但试件在变截面处或 切口处仍然存在应力集中,很难保证断裂发生在均匀应力段。 内埋式:试验机~试件之间使用部分埋置在试件内部的锚件作为传力构件。一方面这 种端部连接方式需保证埋件与混凝土试件间不能出现粘结滑移现象,基于此,埋件需要有 一定的埋置深度,大尺寸试件对埋置深度的要求就更高。在这个前提下,为保证试件中部 有较长区段的均匀断裂区,试件就应当有足够的长度,而大多数试验系统机架的加载净空 几乎难以满足拉伸试验对试件长度的要求。另一方面很难保证试件轴心受拉,且试件中应 力分布同样较为复杂。 钢板粘贴式:是在混凝土试件的端部各粘贴一定厚度的钢板,然后沿中心轴线施加荷 载,这种方式相对来说易于保证轴心受拉,而且应力分布不均的现象要比夹持式或埋入式 要好一些,而且能有效解决目前试验机加载净空较小,拉伸试件长度受限的问题,是较为 理想的夹持方式。大连理工大学【,清华大学就曾采用端部单钢 板粘贴的连接方法成功 测得了拉伸全曲线,其中大连理工大学的试验装曼主要部分见图。由于单钢板粘贴拉 伸混凝土试件仍有可能在试件端部出现应力传递不均匀的问题。彭勃睇建议采用双钢板粘 贴端部连接方式见图,即在粘贴钢板上方下方各加一块传力钢板,两块钢板 之间通过均衡分布的螺栓连接。试验开始前可通过调节螺栓旋入深度调整试件各侧面内的 墨三至塑鳖圭塑垫全些垡塑兰堕塑墨壁兰互堕 荷载偏心,这种方法使得试件的制各也变得更为方便,试件浇注时水平或垂直方向都可成 型,避免了试件成型方向可能造成的影响。 砌 咖蚴 ? 端灞戎睾 变撼豳端部是持 勺埋武 辐贴式 钕翘芄瓮 传力方式 接力方式 传力方进 图混凝土试件端部连接方式 国力姨餮 律:刃籀 小:铡 试,: 国。‘巷黔 瞧,啦 』瞧谲图单钢板粘贴式连接 图双钢板粘贴式连接 本次试验端部连接采用试件端部预埋钢筋的连接方式,如图.所示。本次试验在 河海大学硕士学位论文 每个试件两端各预埋根中 螺杆,为防止预埋钢筋密集深度相同,试件在钢筋端截 面断裂的现象,笔者采用了不同的预埋深度,具体如图.示。在试验过程中的试验机~ 试件传力即通过螺母紧固试件外露螺杆端头与传力钢板传递拉力。 试验证明,钢筋预埋的连接方式有效避免了混凝土拉伸试验中经常发生的端部断裂现 象。 图.试件端面的密集位置和深度 图.预埋钢筋方式 .试验装置的刚度介绍嗍刚 试验机刚度是实现混凝土轴向拉伸全曲线的关键因素,笔者在设计过程中对试验机各 组成部件进行了精心的设计,并且尽量减少组件间的联接空隙。 ..试验装置的刚度计算 试验刚度计算的简化模型如图。示。第二章混凝土轴拉全曲线测 试的试验条件与方法槲事 图?试验装置计算简化模型 其中: 组件代表千斤顶与钢立柱串联后的构件,刚度为瓦。 组件代表上下两个球铰、传感器等传力装置串联后的构件,刚度为足,。 组件代表附加的阻尼器,刚度为丘 代表混凝土试件,刚度为甄 试验机加载时,试验机框架受到试件施加的反作用力的作用,处于弹性变形状态,混 凝土在拉伸荷载峰值后承载力下降,处于裂缝集中扩展阶段,当承载力降低?时,试件 相对伸长。试验机的总刚度不变,当荷载下降时,恢复的弹性变形为?,由公式 一得?万负号表示变形方向相反 可见,当试件的承载力下降?时,如果它的形变值大于试验机的恢复变形值,试件 就不会骤然断裂,应力~变形全曲线就可以得到。 针对本试验装置,峰值荷载后,试件产生变形,试件荷载降低?,由此引起组件 荷载变化日减小,组件荷载变化?增大,组件荷载变化最减小。 相应的变形: 组件:鸲凹/局弹出 组件:屿鸠,墨回弹 组件:鸲拙/墨伸长 河海大学硕士学位论文 . 又 媚一必 屿 由变形协调性,得: 鸲屿 即: 等等 。 纰鲁鸠 将式.代入式.中,得: 垒蔓: 廿鲁 根据试件稳定破坏的条件,即公式一?表示的关系,得到: ??‘?, 即: 地鸲?厶 . 因此,竺?些百 将式代入式.,得: 磁??与 则整个系统的刚度应满足 . ?与 蜀 可见,提高、、的刚度均有助于提高整个系统的刚度。 ..提高本试验系统刚度的有关措施 组件为钢立柱和油压千斤顶的串联体,按照串联体的刚度计算准 则,得组件 第二章混凝土轴拉全曲线测试的试验条件与方法 的刚度为:一一 其中,也为钢立柱的刚度,,为油压系统的刚度。 由于&一定,所以,提高墨只能通过提高立柱的刚度。立柱刚度计 算公式为: 砭暖 其中,一钢立柱的弹性模量 .钢立柱的截面积 三.钢立柱的高度 由于试验净空的限制,立柱的高度三是一定的,本试验采用的钢 立柱弹性模量亦确定, 钢立柱采用较大截面,可有效提高组件的刚度。 组件为上下两个球铰、一个力传感器及其他与试件相连的连接件的串联构件。 这个串联体的刚度、受到的力及其相应的变形之间存在如下关系: 足.:竺 ‘?上 峰值后,当试件荷载下降?时,组件的荷载同样下降?,并伴随变形回弹?厶, 由于球铰中球头与球座之间及连接螺丝之间存在间隙,随着力的下降,间隙会发生回弹, 尤其是试件下部的连接件,其间隙回弹值更大装置的刚度测试中发现这一点,这样?厶 既包括构件的弹性变形,还包括间隙的回弹,从而导致了连接件值的降低。因此,在试 验进行过程中,应随时保持下横梁螺母处于压紧状态。 组件为两个阻尼器组成的并联刚性组件,拉伸试验前笔者对阻尼器在压 力试验机上进行了刚度测试,刚度分别为./,./。测试结果表 明,阻尼器有稳定的静态刚度。 ..试验系统刚度测试结果 试验系统刚度用下式计算: 竺 : 址她越址/一她 河海大学硕士学位论文 其中,为荷载传感器测得的荷载与初始荷载之差 ?厶、?厶、?厶、,分别为分布在加载千斤顶两侧的四个位移 计测得的位移; ?厶为两加载端头间的位移计测得的位移,位移计的布置如图? 所示。 孥位移 号位移计 号位移 号位移计 号位移计 图试验系统网日度测试过程图 表试验系统刚度测试数据表外油阀开启 钢杆荷载 . . . . . . . . . . . . ..?瑚 . . . . . . . . . . . . ?厶 . . . . . . 地 . . . . . . . . . . . . 上表中址址地址/蝎 阻尼器外油阀开启时的试验系统荷载~变形关系如图.所示。金 山 . ?咖 图试验机系统荷载~变形关系阻尼器外油阔开启 阻尼器外油阀关闭时的试验系统刚度测试数据见表. 表试验系统刚度测试数据表外油阀关闭 钢杆荷载 . . . . . . 卜 . . . . . . 。姗 . . . . . . 姗 . . . . . . ?岛衄 . . . . . . 己?蛐 . . . . . . 吐 . . . . . . ?三 阻尼器作用时试验系统荷载~位移关系拟合曲线见图.。 河海大学硕士学位论文 蚕 “ 司 .. . . ?咖 图.试验机系统荷载~变形关系阻尼器外油门关闭 【./ 其中%代表打开阻尼器外油阀的试验系统刚度 颤代表关闭阻尼器外油阀的试验系统刚度 .本章小结 本章详细阐述了混凝土轴向拉伸应力~变形全曲线测试的条件, 对以往混凝土轴向拉 伸应力~变形全曲线测试的具体试验方法进行了探讨,在此基础 上,本文决定采用自行研 制的新型试验装置进行本次混凝土轴拉全曲线的测定。该装冕有以下两个创新点; 本装置采用阻尼器作为并联刚性组件; 试件端部连接采用预埋钢筋方式。 上述两个创新点较之以往试验中所用的其它并联刚性组件和试件端部连接方式,更能 保证试验的顺利进行。 本章最后对试验系统刚度测试结果进行了介绍,为下一步顺利进行混凝土轴向拉伸全 曲线试验提供了重要的参考。 第三章混凝土轴拉全曲线影响因索 第三章混凝土轴拉全曲线影响因素 纵观国内外大量的研究资料不难发现,得到的混凝土轴向拉伸全曲线测试结果存在较 大差异,目前,国内外学者们也注意到了这个问题,针对其原因给出了一定的探讨,但并 不详尽,也不系统。实际上,混凝土轴向拉伸全曲线测试结果的较大离散性,不仅给研究 者对拉伸全过程资料进行分析与比较造成了很多困难,而且不便于人们的实际应用,更不 利于混凝土轴拉试验的规范化。 为规范混凝土拉伸应力~变形全曲线的测试,尽可能地规避一些 不利因素,本文将对 影响拉伸试验结果的因素进行分类探讨,以对本试验加以指导。 .试件离散对混凝土轴拉全曲线的影响 混凝土试件本身的离散对最终的试验结果有着重大影响。大量资料表明,轴拉混凝土 试件的开裂面是唯一的,而且总是在最薄弱截面断裂。众所周知,混凝土的开裂起始于骨 料与水泥砂浆间的界面裂缝的脱粘,其破坏是界面裂缝发育、繁衍、扩展并穿越连接水泥 砂浆中的微裂缝,最终导致不同裂缝连通直至宏观断裂的过程。实际上,当应力到达极限 荷载时,裂缝扩展集中在试件强度最弱的断面,裂缝在此集中扩展,直至断裂。试件最薄 弱面的位置以及强度大小与工艺密切相关。在试件成型过程中,由于搅拌、振捣尤其 是养护条件的不同,使得混凝土试件中骨料附近存在的初始粘结微裂缝的大小和数量以及 试件断面的不均匀度不尽相同,这直接导致了拉伸曲线的较大差异。研究表明【”,对同一 配合比的混凝土,养护条件是造成微裂缝和空隙差异的主要因素,因此,养护条件对于轴 拉全曲线影响较大。 除此之外,由试件成型方向不同导致的截面的不均匀度也是影响全曲线形状的重要因 素。在混凝土振捣过程中,较重的骨料将沉向浇注底面,较轻的水泥浆将上浮到浇注顶面, 导致受载断面骨料分布不均匀,这种不均匀性必然导致试件截面几何中心与刚度中心的不 一致,造成初始加载阶段荷载偏心,最终影响拉伸曲线的形状。 过镇海等人对混凝土试件拉伸曲线的试验研究表吲,影响轴拉全曲线下降段形状的 最大因素是裂缝开展的不均匀度,这与试件截面组成的不均匀性密切相关,他还指出:截 面的不均匀性对受拉曲线的影响比受压的情况要大。图.是陈萍所作的三个试件的全曲 线的比较三个试件在相同条件下成型,从图中可知,各条曲线依然存在一定的离散性。 河海大学硕士学位论文 综上可得如下推论:试件的成型条件和截面的不均匀性是造成试件拉伸结果离散的重 要因素,尽管这种离散本身无法避免,但试验者仍应依据试验规程对混凝土试件成型工艺 尤其是试件养护条件进行严格控制,才可能得到具有良好可靠性和可比性的混凝土拉伸全 过程曲线。 盯/ . . , 掰/? 图. 陈萍试验中试件、、的实涮应力~变形关系全曲线 .试件尺寸对混凝土轴向拉伸曲线的影响 尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数,而是随着材料几何尺寸的变化而变 化,材料的强度只能通过材料自身的测试来确定,它是混凝土一类准脆性材料的固有特 征。一般,结构的尺寸均超出常规机械的测试范围,在实验室中,试验用的结构通常是实 际结构的按比例调整的模型,这种小尺寸结构的试验结果对实际结构的指导意义和实用性 如何,则成为广大研究者面临的难题之一。 通过研究发现,尺寸效应主要由六方面的因素引起【: 由边界层引起的尺寸效应。由于浇筑混凝上模板的影响,大骨料趋向于分布在 构件的中心区域,而小骨料趋向于分布在构件的边界区域,从而导致了与构件尺寸本身无 关的边界层,该边界层的厚度依赖于最大骨料的粒径。在较小的构件中,边界层占据了横 截面的大部分区域,而在较大的构件中,边界层仅占据了横截面的小部分区域,从而引发 第三章混凝土轴拉全曲线影响因素 了尺寸效应。在大多数情况下,这种类型的尺寸效应似乎并不强。边界层效应的第二种类 型是由于边界层和结构中心区域之间的弹性性质的差异造成的。平行于边界的正应力导致 结构内部产生横向应力,而在构件表面上不存在这种应力。第三种类型是泊松效应。试件 表面可能为平面应力状态,而在试件内部可能为平面应变状态,它们发生在与试件表面平 行的平面上,但不发生在试件的表面上,而发生在试件的中心部位。 由扩散现象引起的与时间相关的尺寸效应。诸如热传导或湿气和化学物质的输 运等扩散现象,由于半干燥期依赖于试件尺寸,致使扩散过程改变了材料性质,并产生残 余应力,从而导致非弹性应变和开裂。因为大试件和小试件中的干燥次数存在差异,所以 构件开裂的程度和密度各不相同,从而引发尺寸效应。 由水化热或其它化学反应引起的尺寸效应。混凝上试件尺寸越大,内部温度越 高,构件温度的不均匀分布可导致开裂、加速化学反应和改变材料性质,从而引发尺寸效 应。 由材料强度的随机性引起的尺寸效应,即统计尺寸效应。由于混凝上材料强度 的随机性,致使遇到某个低强度的材料单元的概率随结构尺寸的增大而增加,从而引发尺 寸效应。 由能量释放引起的尺寸效应,即断裂力学尺寸效应。这是试件尺寸效应的重要 源泉。 由裂纹表面的分形特性引起的尺寸效应。这是由于外部力场引起的裂纹是不连 续的、随机的,即材料在断裂前内部的微裂缝的演化过程中具有分形特性,从而引发尺寸 效应。 对混凝土轴向拉伸全曲线而言,尺寸效应的主要表现为强度随试件尺寸的增大而减 小、尺寸效应作为材料的性能影响到曲线的形状等方面。齐斯克烈里【用种不同尺寸的 工字型试件,测定了混凝土的抗拉强度。以×断面为基准试件尺寸,试件 的强度尺寸效应可用下式表示: 协, 耻去一.,而 其中:置,??试件强度修正系数 置??×基准试件抗拉强度 疋??任意尺寸试件的抗拉强度河海大学硕士学位论文 ??任意尺寸试件的等直段横截面积 所以为了体现尺寸效应的影响,适当定义试件的尺寸是很有必要的。本次试验试件的 截面为×,试件中部保留约的应力均匀分布区,采用预埋钢筋方式, 试件总长为,长宽比为。 .荷载偏心对混凝土轴拉全曲线的影响 图.为陈萍试验中试件两相对面位移计得到的应力~变形全曲线,标距为。 从图中可以看出,峰值前试件的偏心较小,峰值后试件出现了较大的偏心,甚至一侧面出 现了受压现象。实际上,随着荷载的不断增加,试件内部裂缝扩展的加剧,必有小块混凝 土退出工作,这必然导致混凝士开裂截面形状不规则,当试件内 部应力到达曲线上升段不 连续点以后,混凝土的几何中心明显偏移加载中心,甚至导致某些截面局部压应力的存在, 这种趋势随着裂缝的不断扩展愈加剧烈。 ..刀等人研究发现,开裂面内均匀的变形分布将使得试件储存更多的能量, 因此从能量的观点,试件开裂将趋向于不均匀。另外在试验中发现,开裂后不均匀变形越 大,全曲线的下降段越容易得到,这可能是由于不均匀的变形更容易使得结构保持相对的 稳定。 为了全面地了解和分析偏心问题对混凝土轴向受拉应力~变形全曲线的影响,过镇海 等人通过大量的试验,专门研究了混凝土轴心和偏心受拉的过程。研究发现:随着 相对偏心率的增大,混凝土应力~变形全曲线形状变得更加平缓,试件下降段最大刚度降 低,使得混凝土下降段曲线在试验机同等刚度条件下更易获得;裂缝一般只有一条, 并最终发展为断口,断口的宏观特征与轴心受拉试件的相同;偏心抗拉强度随偏心率 的变化幅度不大,而混凝土偏心受拉的峰值变形,明显地大于中 心受拉的峰值变形,且随 荷载偏心率的增大而增大。第量章混凝?轴拉全曲线影嗡因囊 ‖垂碱 。一 。. . 。.? ? . . 拶,司 匿试件辊对砸应力~变形全曲线 实践证明,混凝土轴心受拉试验中不可避免地存在着衙载盼缡心,这也造成全曲线的 峰值应力和应交值院实际的偏小司。造成这个闯题的原因有以下几个方面。 其一,由于混凝土内部粗细骨科分布具有随机性,荐加上在振捣过程中,密度较大骨 料的下沉以及成型、养护过程中随机出现的孔隙和徽开裂,所以从微观结构上看,混凝土 本身是一个菲均质材料。这些问题就导致了试件的物理中心和几何中心不一致,使试件每 一截面的抗拉承载力中心与截面形心荷载作用线不重台,致使试验过程中出现偏心受 拉情况; 第二,在装卡试件时,握具或传力杆件的定位不可能做到完全准确,此时连接件的上、 下端连线不在同一直线上,也就是说传力线不一致,存在着几何偏心,这也会产生附加弯 距,使得试件四边的拉伸变形不等; 第三,混凝土轴心受拉的破坏总是在试件的最薄弱处开始,由于混凝士是非均质材料, 所以薄弱部位是随机的。所以在轴向拉串试验中,试徉总是从某一侧预先开裂,丽且开裂 面也是不规则的。当试件开裂后,若试件的端部可以自由转动,此时即使试件几何对中移 可得到保证,物理中心也将发生移动,试件的受力状态一样会发生改变。因此,由予开; 而造成的偏心一直存在着,而且在不停地变化着,这也是最不能克服的造成偏心的闯厨 通过研究,..曲拶认为:当裂缝沿着横截面扩展时,对于端部约束处予铰接情况 时,荷裁的偏心会进一步增加;如果试件处予固定约束情况时,可以减小这种由于裂缨 蛳河海大学硕士学位论文 伸而导致的偏心。因此,他建议,在加载初期选用铰接约束方式,以适应混凝土的不均匀 性:在试件峰值荷载后,将约束型式转化为固定约束,以减小因裂缝延伸而导致的迸一步 荷载偏心。 由上所述,我们不难发现,要想完全避免偏心是无法做到的,我们只有尽可能地减小 开裂前后可能出现的偏心,使其对试验结果的影响减小到允许的范围之内。判别偏心是否 在允许范围之内,由文献【】给出的计算公式为: . 舢率伊刮剖舢% 式中,、:为对应于某一较小荷载时试件两对边有效区段的轴向变形。 本文拟从以下两方面来减小偏心带来的影响,具体措施如下: 一试验措施 本试验采用钢模,加工精细,确保试件成型几何尺寸准确。 钢模两端留有对中很好的埋件预留孔,确保与埋件很好地吻合,使得两端埋件 轴心对齐。 端板与两个万向球铰相连,用来消除试件偏心对其他连接件的偏 转作用。 试验正式开始前对试件进行预拉,通过调整上下横梁的位置、附加拉杆的位置、 中间传力杆的位置尽量克服试件开裂前的偏心。 二结果处理 由于试件的相对侧面受偏心影响的效果是相反的,因而,如果将相对侧面的变形相加 然后再平均假设试件在变形过程中每个截面均保持平行,那么得到的曲线就更能反映 试件形心处的应力~变形关