高强高性能混凝土多轴应力状态下力学性能试验和理论研究

发布时间：2018-05-01 01:13

本文选题：高强高性能混凝土 + 多轴应力状态　；参考：《东南大学》2015年博士论文

【摘要】：混凝土是土木工程中应用最为广泛的建筑材料之一。随着工程技术的快速发展,高层建筑、海洋平台、大跨度桥梁及其他特种结构等大型复杂构筑物不断涌现,这对混凝土材料的强度和耐久性提出了更高的要求。普通混凝土由于强度低、耐久性较差等缺点已不能满足大型复杂构筑物的要求。高强高性能混凝土的出现,弥补了普通混凝土的不足,能够满足现代工程结构的强度、刚度及耐久性的要求,已逐渐在大型复杂结构中得到应用。混凝土结构中,混凝土采用一般处于多轴应力状态,研究混凝土在多轴应力状态下的力学响应及本构关系,是对复杂结构进行计算分析和设计的基础。目前,高强高性能混凝土多轴力学性能方面的研究较为有限,开展对高强高性能混凝土复杂应力状态下力学性能的研究显得尤为重要。本文从试验研究、理论分析、数值模拟三方面出发,研究了高强高性能混凝土的多轴力学性能。主要研究成果如下：1.通过劈裂抗拉试验和压剪试验研究,获得了粗骨料与硬化水泥净浆之间界面的劈裂抗拉强度和抗剪强度,分析了粗骨料类型、水灰比及粗骨料尺寸等参数对界面粘结性能的影响。结果表明,粗骨料的性能对界面过渡区的粘结性能有较大的影响,界面的粘结强度随着粗骨料尺寸的增大而减小；水灰比越低,界面的粘结性能越好；粗骨料类型对界面过渡区的粘结性能也有较大的影响。2.对高强高性能混凝土进行了双轴压试验研究。研究结果表明,双轴压应力状态下,单轴压强度、应力比及所处的应力状态对双轴强度结果有较大的影响。此时,高强高性能混凝土的最大主应力方向的峰值强度均大于其单轴压强度,且随应力比呈先增加后减小的趋势。从破坏模式来看,双轴压应力状态下,剪切破坏和受拉破坏共同作用,试件呈片状破坏,裂纹面与加载方向呈一定的夹角,并垂直于自由面方向。随着应力比的增加,裂纹面与主轴方向的夹角逐渐减小。从应力应变响应来看,双轴压应力状态下,侧向约束的施加对高强高性能混凝土的受压性能和延性性能均有一定的改善。3.对高强高性能混凝土进行了双轴拉压试验研究。研究结果表明,双轴拉压应力状态下,最大主应力方向的极限强度均小于单轴压强度,且随着应力比的增加而逐渐减小。从双轴拉压应力状态下,试件发生受拉破坏,试件中部产生一条明显的贯穿主裂纹。从应力应变响应来看,双轴拉压应力状态下,混凝土最大主应力方向的弹性模量随着应力比的增大而逐渐减小,并且呈现出明显的脆性行为。4.对高强高性能混凝土进行了双轴拉试验研究。研究结果表明,双轴拉应力状态下,最大主应力方向的极限强度与应力比无关,可认为与单轴拉伸强度相等。双轴拉应力状态下,试件亦发生受拉破坏。随着应力比的增加,试件主裂纹的方向与最大主拉应力方向的夹角逐渐减小。双轴拉应力状态下,应力应变曲线呈现更加明显的线性行为。而且,随着应力比的增加,最大主拉应力方向的弹性模量逐渐增加。5.对高强高性能混凝土进行了三轴压试验研究。研究结果表明,三轴压应力状态下,混凝土单轴压强度、应力比及所处的应力状态对三轴压强度影响更加明显。此种应力状态下,由于最小主压应力方向提供的约束,三种混凝土最大主应力方向的强度均较双轴压应力状态得到了明显的提高。当最大主应力方向与最小主应力方向的应力比恒定时,由于中间主应力效应,高强高性能混凝土仍在应力比为0.5时获得最大极限强度。高强高性能混凝土三轴压应力状态下的破坏为局部剪切破坏。剪切面形成于最大主应力与最小主应力构成的平面内。通过应力应变关系曲线可以发现,三轴压应力状态下,高强高性能混凝土的强度和延性较单轴压应力状态下有明显的改善。6.对高强高性能混凝土进行了三轴拉压压试验研究。研究结果表明,三轴拉压压应力状态下,三种混凝土最大主应力方向的强度均远小于其单轴压强度。随着拉应力的增加,最大主应力方向的强度减小程度十分显著。与三轴压应力状态相比,三轴拉压压应力状态下,高强高性能混凝土的中间主应力效应并不明显。与双轴强度规律相似,随着单轴压强度的增加,三轴压相对强度逐渐减小。三轴拉压压应力状态下,高强高性能混凝土呈受拉破坏模式,试件中部出现一条垂直于拉应力方向的宏观主裂纹。同时,在三轴拉压压应力状态下,由于拉应力的存在,混凝土的刚度和延性均明显降低,表现出明显的脆性特性。7.基于试验数据的回归分析获得了双轴应力状态下的强度准则。通过对Ottosen强度准则的修正,获得了适用于高强高性能混凝土多轴应力状态下的强度准则,并与已有模型进行对比,发现新提出的强度准则与试验结果的符合程度最好。8.通过对适用于普通混凝土的正交各向异性增量本构模型的修正,得到了适用于高强高性能混凝土的多轴本构模型。通过编制程序计算发现,理论模型与试验结果较为一致,具有较好的适用性。9.采用大型离散元软件PFC3D对高强高性能混凝土多轴应力状态下的力学响应进行细观数值模拟,获得了混凝土多轴压应力状态下的裂纹扩展机理及基本力学响应,并与试验结果进行对比分析。
[Abstract]:Concrete is one of the most widely used building materials in civil engineering . With the rapid development of engineering technology , the high - rise building , ocean platform , large - span bridge and other special structures are constantly emerging , the research on the mechanical response and shear strength of high - strength and high - performance concrete has been studied .
The lower the water - cement ratio , the better the bonding performance of the interface ;
The results show that under the biaxial tensile stress state , the ultimate strength of the maximum principal stress direction is smaller than that of the uniaxial compressive strength . Based on the regression analysis of Ottosen ' s strength criterion , the strength criterion for high - strength and high - performance concrete is obtained .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU528

【参考文献】