混合路径加载下混凝土真三轴试验研究及数值模拟

发布时间：2018-03-13 15:33

本文选题：普通混凝土　切入点：应力应变全曲线　出处：《北京交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：通常处在多轴应力状态下的混凝土结构物较多,例如:钢管混凝土、建筑物的梁柱节点、核反应堆高压容器、海洋工程和水坝等等。混凝土的多轴强度和变形特性与单轴的差异很大,因此对混凝土的力学行为进行研究就需要做多轴加载试验。多轴试验的加载路径可分为应力路径、应变路径和应力-应变混合路径这三种。在已有文献中,采用应力路径加载的试验较多。由于研究思想和加载设备的限制,纯粹沿着应变路径或者应力-应变混合路径进行加载的三轴试验较少。本文采用真三轴设备对100X 100X 100mm的立方体混凝土试块进行了混合路径下的真三轴试验研究。静态加载过程分为两步:第一步,保持三个轴向的应力相同,施加应力到设计值p;第二步,在保持最小主应力(Z轴)恒定并且X轴应变速率与Y轴应变速率之比也恒定的条件下,单调地增加Y轴应变。p的取值有三档,分别为10、15、20MPa;每一档P对应的应变速率比取值有三档或四档,在0.25、0.5、0.75和1.0中选取,Y轴、X轴和Z轴分别是最大、中间和最小主应变轴向。主要研究工作包括以下几个方面:(1)首先根据真三轴试验得到的强度和体积数据,分析了混凝土的强度和体积特征。结果表明:在应力-应变混合路径加载的真三轴试验下,混凝土的抗压强度随着最小主应力的增加而增大,随加载应变速率比的增加而线性递减,都大于单轴抗压强度,最高可达单轴抗压强度的3.4倍;混凝土试块X轴向的应力、八面体正应力和剪应力都是随最小主应力和加载应变速率比的增加而增大。与Y轴应力随加载应变速率比的增加而递减的规律,完全相反;混凝土试块在只经历静水压的加载历史时,初始剪切模量不受影响,不同组剪应力-剪应变关系曲线初始段都存在重合现象。峰值体积应变随着最小主应力和应变速率比的增加而增大,体积先减小后增大,出现扩容现象;当最小主应力为10MPa时,混凝土的峰值强度和峰值体积压应变几乎同时出现,并随着最小主应力的增大,两者出现的时间间隔越来越大,峰值体应变滞后。(2)根据试验的原始数据,给出了 Y和Z轴之间、X和Z轴之间应变关系曲线。观察这些曲线发现,在加载过程的后半部分,Z轴应变和Y轴应变之间,以及Z轴应变和X轴应变之间都近似呈线性关系,但是不同加载路径对应不同的拟合直线斜率。结合相关的微分方程可知,当最小主应力相同,加载应变速率比不同时,可以将Z轴应变分别对X轴和Y轴应变的微分关系回归出相同的数值,它们与破坏形态和剪切带倾角有关。(3)重点研究了普通混凝-土在复杂真三轴加载下的破坏形态、破坏机理以及峰值点特征。在最大主应变轴向(Y轴)和中间主应变轴向(X轴)的主应力各出现一次峰值,前者先出现。当应变速率比不等于1时,最大主应变轴向(Y轴)的峰值应力也是相应应力状态中的最大主应力。中间主应变轴向(X轴)的峰值主应力,当应变速率比是0.75时是中间主应力,当应变速率比是0.5和0.25时是最大主应力;中间主应变轴向(X轴)的峰值主应力小于最大主应变轴向(Y轴)的峰值主应力,这是由于当到达X轴峰值应力时,材料先经历了含有Y轴峰值点的加载历史,这个加载历史使材料产生损伤,引起X轴承载能力降低;混凝土中存在着极限状态现象,当最大主应变轴Y和中间主应变轴X分别与Z轴的应变之差都足够大时,Y和X轴的承载能力相等;此外,中间主应变轴向峰值应力对应的应变与最大主应变轴向峰值应力对应的应变基本相同。(4)采用大型商业软件ANSYS对普通混凝土的真三轴试验进行了数值模拟,根据模拟结果,可以看出,我们采用的实体建模方法、破坏准则、屈服准则和对应的本构关系,对实际的真三轴试验能够进行较好的数值模拟计算。因此可以根据本文所建立的程序,改变参数,对其它的真三轴试验进行更加深入的拓展分析和研究。
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【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU528

【参考文献】