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

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 混凝土在多轴应力状态下的试验研究现状

1．2．1 混凝土双轴应力状态下的试验研究现状

1．2．2 混凝土三轴应力状态下的试验研究现状

1．3 混凝土破坏准则的研究现状

1．3．1 混凝土破坏面特征

1．3．2 破坏准则模型

1．4 混凝土本构模型的研究现状

1．4．1 线弹性本构模型

1．4．2 非线性弹性本构模型

1．4．3 塑性本构模型

1．4．4 损伤本构模型

1．4．5 内时理论模型

1．4．6 其他模型

1．5 混凝土破坏的细观数值模拟

1．5．1 随机骨料模型(Random Aggregate Model)

1．5．2 格构式模型(Lattice Model)

1．5．3 界面元模型(Interface Model)

1．5．4 颗粒流模型(Particle Flow Model)

1．5．5 其他模型

1．6 本文主要研究内容

第二章 水泥净浆与粗骨料界面粘结性能的尺寸效应

2．1 试验概况

2．1．1 材料准备

2．1．2 试件准备

2．1．3 试验装置

2．2 试验结果及分析

2．2．1 破坏形态的描述

2．2．2 试验结果及讨论

2．3 小结

第三章 高强高性能混凝土多轴试验概况

3．1 材料准备及高强高性能混凝土的配合比设计

3．1．1 材料准备

3．1．2 高强高性能混凝土配合比

3．2 试件准备

3．2．1 试件尺寸

3．2．2 试件制作

3．3 试验装置及试验技术

3．3．1 试验装置

3．3．2 形变量测系统

3．3．3 控制系统

3．3．4 数据采集系统

3．3．5 减磨措施

3．4 试验过程

3．4．1 试验选用的应力比

3．4．2 加载过程

3．5 小结

第四章 高强高性能混凝土双轴力学性能试验

4．1 双轴压应力状态下高强高性能混凝土力学性能试验

4．1．1 双轴压强度结果汇总

4．1．2 双轴压试件破坏形态

4．1．3 双轴压试件应力应变响应

4．2 双轴拉压应力状态下高强高性能混凝土力学性能试验

4．2．1 双轴拉压强度结果汇总

4．2．2 双轴拉压试件破坏形态

4．2．3 双轴拉压试件应力应变响应

4．3 双轴拉应力状态下高强高性能混凝土力学性能试验

4．3．1 双轴拉强度结果汇总

4．3．2 双轴拉试件破坏形态

4．3．3 双轴拉试件应力应变响应

4．4 小结

第五章 高强高性能混凝土三轴力学性能试验

5．1 三轴压试验结果及分析

5．1．1 三轴压强度结果汇总

5．1．2 三轴压试件破坏形态

5．1．3 三轴压试件应力应变响应

5．2 三轴拉压压试验结果分析

5．2．1 三轴拉压压强度结果汇总

5．2．2 三轴拉压压试件破坏形态

5．2．3 三轴拉压压试件应力应变响应

5．3 混凝土多轴破坏的机理分析

5．4 结论

第六章 高强高性能混凝土多轴应力状态下的破坏准则

6．1 高强高性能混凝土双轴破坏准则

6．1．1 高强高性能混凝土双轴压破坏准则

6．1．2 高强高性能混凝土双轴拉压破坏准则

6．1．3 高强高性能混凝土双轴拉破坏准则

6．2 高强高性能混凝土三轴应力状态下的破坏准则

6．2．1 新的高强高性能混凝土三轴应力状态下的破坏准则

6．2．2 新破坏准则的验证

6．3 结论

第七章 高强高性能混凝土多轴应力状态下的本构关系

7．1 高强高性能混凝土三维各向异性增量本构模型

7．1．1 各向异性增量模型基本表达式

7．1．2 等效单轴应变的定义

7．1．3 等效单轴应力应变表达式

7．1．4 广义泊松比计算

7．1．5 破坏面计算

7．2 高强高性能混凝土本构关系计算的基本流程

7．3 模型验证

7．4 结论

第八章 混凝土破坏的细观数值模拟

8．1 PFC颗粒流模型简介

8．1．1 颗粒离散元法的基本假设

8．1．2 颗粒离散元法的基本方程

8．1．2 颗粒离散元法的接触模型

8．1．3 模型的建立

8．1．4 颗粒流模型中伺服三轴试验原理

8．2 颗粒流法计算混凝土破坏的参数分析

8．3 混凝土细观数值模型的建立

8．4 颗粒流模型模拟混凝土细观破坏

8．4．1 混凝土单轴压破坏的细观数值模拟

8．4．2 混凝土单轴拉破坏的细观数值模拟

8．5 混凝土双轴压破坏的细观数值模拟

8．5．1 混凝土双轴压应力状态下力学参数的模拟结果分析

8．5．2 混凝土双轴压应力状态下裂纹形态的分析

8．5．3 混凝土双轴压应力状态下能量分析

8．6 混凝土三轴压破坏的细观数值模拟

8．6．1 混凝土三轴压应力状态下力学参数的模拟结果分析

8．6．2 混凝土三轴压应力状态下裂纹形态的分析

8．6．3 混凝土三轴压应力状态下能量分析

8．7 结论

第九章 结论和展望

9．1 结论

9．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的学术论文及专利

致谢