混合路徑加載下混凝土真三軸試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬.pdf

1、通常處在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)物較多，例如:鋼管混凝土、建筑物的梁柱節(jié)點(diǎn)、核反應(yīng)堆高壓容器、海洋工程和水壩等等?；炷恋亩噍S強(qiáng)度和變形特性與單軸的差異很大，因此對(duì)混凝土的力學(xué)行為進(jìn)行研究就需要做多軸加載試驗(yàn)。多軸試驗(yàn)的加載路徑可分為應(yīng)力路徑、應(yīng)變路徑和應(yīng)力-應(yīng)變混合路徑這三種。在已有文獻(xiàn)中，采用應(yīng)力路徑加載的試驗(yàn)較多。由于研究思想和加載設(shè)備的限制，純粹沿著應(yīng)變路徑或者應(yīng)力-應(yīng)變混合路徑進(jìn)行加載的三軸試驗(yàn)較少。
　　本文采用真三

2、軸設(shè)備對(duì)100×100×100mm的立方體混凝土試塊進(jìn)行了混合路徑下的真三軸試驗(yàn)研究。靜態(tài)加載過(guò)程分為兩步:第一步，保持三個(gè)軸向的應(yīng)力相同，施加應(yīng)力到設(shè)計(jì)值p;第二步，在保持最小主應(yīng)力（Z軸）恒定并且X軸應(yīng)變速率與Y軸應(yīng)變速率之比也恒定的條件下，單調(diào)地增加Y軸應(yīng)變。p的取值有三檔，分別為10、15、20MPa;每一檔P對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率比取值有三檔或四檔，在0.25、0.5、0.75和1.0中選取，Y軸、X軸和Z軸分別是最大、中間和最小主應(yīng)

3、變軸向。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)首先根據(jù)真三軸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度和體積數(shù)據(jù)，分析了混凝土的強(qiáng)度和體積特征。結(jié)果表明:在應(yīng)力-應(yīng)變混合路徑加載的真三軸試驗(yàn)下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著最小主應(yīng)力的增加而增大，隨加載應(yīng)變速率比的增加而線性遞減，都大于單軸抗壓強(qiáng)度，最高可達(dá)單軸抗壓強(qiáng)度的3.4倍;混凝土試塊X軸向的應(yīng)力、八面體正應(yīng)力和剪應(yīng)力都是隨最小主應(yīng)力和加載應(yīng)變速率比的增加而增大。與Y軸應(yīng)力隨加載應(yīng)變速率比的增加而遞減的規(guī)律

4、，完全相反;混凝土試塊在只經(jīng)歷靜水壓的加載歷史時(shí)，初始剪切模量不受影響，不同組剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線初始段都存在重合現(xiàn)象。峰值體積應(yīng)變隨著最小主應(yīng)力和應(yīng)變速率比的增加而增大，體積先減小后增大，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象;當(dāng)最小主應(yīng)力為10MPa時(shí)，混凝土的峰值強(qiáng)度和峰值體積壓應(yīng)變幾乎同時(shí)出現(xiàn)，并隨著最小主應(yīng)力的增大，兩者出現(xiàn)的時(shí)間間隔越來(lái)越大，峰值體應(yīng)變滯后。
　　(2)根據(jù)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，給出了Y和Z軸之間、X和Z軸之間應(yīng)變關(guān)系曲線。觀察這些

5、曲線發(fā)現(xiàn)，在加載過(guò)程的后半部分，Z軸應(yīng)變和Y軸應(yīng)變之間，以及Z軸應(yīng)變和X軸應(yīng)變之間都近似呈線性關(guān)系，但是不同加載路徑對(duì)應(yīng)不同的擬合直線斜率。結(jié)合相關(guān)的微分方程可知，當(dāng)最小主應(yīng)力相同，加載應(yīng)變速率比不同時(shí)，可以將Z軸應(yīng)變分別對(duì)X軸和Y軸應(yīng)變的微分關(guān)系回歸出相同的數(shù)值，它們與破壞形態(tài)和剪切帶傾角有關(guān)。
　　(3)重點(diǎn)研究了普通混凝土在復(fù)雜真三軸加載下的破壞形態(tài)、破壞機(jī)理以及峰值點(diǎn)特征。在最大主應(yīng)變軸向（Y軸）和中間主應(yīng)變軸向（X軸）的

6、主應(yīng)力各出現(xiàn)一次峰值，前者先出現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)變速率比不等于1時(shí)，最大主應(yīng)變軸向（Y軸）的峰值應(yīng)力也是相應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)中的最大主應(yīng)力。中間主應(yīng)變軸向（X軸）的峰值主應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)變速率比是0.75時(shí)是中間主應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)變速率比是0.5和0.25時(shí)是最大主應(yīng)力;中間主應(yīng)變軸向（X軸）的峰值主應(yīng)力小于最大主應(yīng)變軸向（Y軸）的峰值主應(yīng)力，這是由于當(dāng)?shù)竭_(dá)X軸峰值應(yīng)力時(shí)，材料先經(jīng)歷了含有Y軸峰值點(diǎn)的加載歷史，這個(gè)加載歷史使材料產(chǎn)生損傷，引起X軸承載能力降低;混凝土

7、中存在著極限狀態(tài)現(xiàn)象，當(dāng)最大主應(yīng)變軸Y和中間主應(yīng)變軸X分別與Z軸的應(yīng)變之差都足夠大時(shí)，Y和X軸的承載能力相等;此外，中間主應(yīng)變軸向峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與最大主應(yīng)變軸向峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變基本相同。
　　(4)采用大型商業(yè)軟件ANSYS對(duì)普通混凝土的真三軸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，可以看出，采用的實(shí)體建模方法、破壞準(zhǔn)則、屈服準(zhǔn)則和對(duì)應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)實(shí)際的真三軸試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行較好的數(shù)值模擬計(jì)算。因此可以根據(jù)本文所建立的程序，改變參數(shù)