混凝土立方体试件劈裂抗拉强度尺寸效应研究.doc
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1、混凝土立方体试件劈裂抗拉强度尺寸效应研究摘要:混凝土结构构件局部承压实验,表明由于混凝土包络面的作用,混凝土的抗压强度增加。尺寸效应在钢筋混凝土断裂力学中起到重要影响,尽管设计规范提出了具体的标准来防止承载破坏,但并没有考虑到尺寸效应。研究集中载荷作用下测试尺寸范围为1:4六大系列混凝土立方体试件。用Bazant 尺寸效应律分析了实验得到的极限荷载,结果与文献中的实验数据进行了比较。总之,观测到的尺寸效应数据很好的吻合了尺寸效应规律。关键词:混凝土 承载强度 尺寸效应律 ensure the quality and duration of construction. 3.1.2. the Ge
2、neral programming principles based on the total duration of the construction requirements, my unit in the project construction organization design and implementation, integrated construction of scientific organizations, network technology, a parallel job, high quality and high speed to complete the
3、construction of the entire project. Ensure quality construction program reasonable, optimal shortest, least cost and construction schedule. 3.1.3. General construction project construction team approach, first in civilization, stadium construction and relocation of underground pipeline detection, wo
4、rk, strictly according to the requirements of strengthening of luanhe river water protection measures. Curtain piles, bored piles, then protection of the excavation and dewatering construction. Working pit 2-PC300 excavator excavation, slope mesh and shotcrete. Protection, resistance to move pile an
5、d supporting pile and Grouting in subgrade pit dewatering and curing in the work carried out during the excavation, protection pile and supporting pile and move the pile using reverse-circulation drilling machine drilling, concrete pouring; programme of grout cure holistic cure of roadbed. Skateboar
6、ds, back beam, the frame of the project using concrete, concrete transport truck transport, concrete pump truck pouring, construction1 引言钢筋混凝土构件设计中承载强度的预测是很有必要的,如钢筋混凝土基础、钢筋混凝土承重桥墩、后张拉混凝土梁的锚固、混凝土铰链和一些水工建筑物的基础。为了确定混凝土承载能力,若干设计规范采用了Hawkins平方根公式,这个公式没有考虑尺寸效应。然而,众所周知随着尺寸的增大混凝土结构的强度会降低。断裂力学中可以很好的解释混凝土结构的尺
7、寸效应。20世纪70年代,人们发现古典线弹性力学不适应于准脆性材料,如混凝土,刚刚开始了混凝土断裂力学的实验性研究。由于大量裂缝和全裂缝裂纹尖端的非弹性区的存在,混凝土不适应线弹性断裂力学。线弹性断裂力学忽略了断裂过程区。因此,几位研究者为了更确切的描述混凝土的失效研究了非线性断裂力学。Bazant的非线性断裂力学方法,也就是尺寸效应律,表明在混凝土中强度尺寸效应首先涉及到一个相当大的断裂过程区。试验试件要求几何相似材料相同,最小尺寸范围是1:4,这是这个方法中最重要的要求之一。早先已经对-型试件采用尺寸效应律的实验方法进行了试件尺寸对混凝土强度影响的研究。Niyogi 进行了尺寸效应对混凝土
8、承载强度影响的实验,试验中试件尺寸范围不能应用Bazant 的尺寸效应律。Niyogi 在实验中采用的试件同一尺寸的配合比也不同(这就增加了影响因素。)。在这项研究中,对六种不同尺寸(尺寸范围为1:4)系列的混凝土立方体施加集中载荷。运用尺寸效应律分析试验结果得到的极限承载力,并推导出一个基于尺寸效应律预测混凝土承载强度的近似公式。推导公式与文献中142个测试数据吻合。2混凝土承载强度混凝土结构构件在局部压力作用试验,表明受力区混凝土的抗压强度由于周围混凝土的约束作用而变大。图1中看到,在局部荷载作用下,由于横向拉应力的作用,失效的混凝土构件快速开裂。先前的研究发现,承载面积、构件的横截面积、
9、加载条件以及材料的抗压强度对混凝土的承载强度有很大的影响。Bauschinger最先研究了建筑材料的承载强度。他提出了基于有限个砂岩立方体试验的著名立方根公式,但不能正确计算混凝土的承载强度。Meyerhof 和 Shelson 指出承受集中荷载的混凝土与三轴压缩试验的破坏形式相似。为了解释混凝土砌块的承载破坏,Au 和 Baird 提出了一个在加载板下方呈倒金字塔形应力的理论,他们假设失效前的倒金字塔型应力正向渗透会导致横向压力。这些假定最终得出混凝土砌块承受复合拉弯应力。混凝土砌块上方的最大张应力超过混凝土的抗压强度时发生失效。这个理论适应于混凝土砌块失效前,但在最终破坏时不合理。Hawk
10、ins 通过在刚性支撑的刚性板上加载支撑混凝土砌块的试验,首次提出了计算混凝土承载强度实用方法。随着荷载的逐渐增加,观察到砌块内部出现了第一条竖向裂缝,如图1,并贴上标签1。当达到最大荷载,在加载板下方出现一个楔形裂缝,如图1(b),加载面上出现了径向裂缝,如图1(c)。通常,四个径向裂缝发生如图1(c)所示,也有试件上出现更多的裂缝。此外,试验发现在图1(b)中金字塔的顶角从38到70度不等。Niyogi 研究了试件的几何形状、支撑性质、偏心率、混合性能、混凝土强度和试件的尺寸对混凝土承压强度的影响。在实践中,有两种用来防止混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土结构的承载破坏方法。也就是,在受拉区
11、放置钢筋和限制承载压力防止混凝土内部开裂。而现行的设计规范,一般更倾向于第二种方法。Hawkins 平方根公式如下:q=PuA1=fcR, R=A2A1 (1) 其中Pu代表破坏荷载,fc代表混凝土抗压强度。A1代表承载面积,A2代表有效承载面积。假设荷载P在混凝土块中沿着两个水平向的平面向竖向面方向分布,并首先到达砌体的边界。在图2中有A2计算面积。设计规范中公式q2fc限定了混凝土的承载强度。然而,如图3所示,R值越大极限值越靠近极限安全。extreme safety此图中,对之前试验结果(只考虑了立方体试件)、方程1的计算结果,设计规范的下限值进行了说明, q/f/c与根号R平面做了比较
12、。试验试件的几何、材料的性质和加载条件参见表1。Neville公式把立方体强度fc转化为圆柱体强度f、c:fc=0.76+0.2logfc19.58fc (2) 3. 混凝土断裂时的尺寸效应通常,结构尺寸的改变会引起结构性能的改变,这就是大家所知道的尺寸效应。换句话说是,几何相似但尺寸不同的试件性质不同,这就是尺寸效应。众所周知,随着尺寸的增大,结构的脆性也会增加,这与经典理论在设计许用应力是一样的。混凝土承受任何荷载条件时尺寸效应是普遍存在的。而且,混凝土承受拉伸和剪切荷载时效果更明显。Kani首次证实了混凝土结构的尺寸效应,即随着梁高的增大抗剪强度减小。断裂力学解释尺寸效应,由于结构构件的
13、开裂导致整体结构储存的弹性能的释放。Griffith首次提出了缺陷的存在影响脆性材料的强度。从他的结论,我们可以得出极限强度值取决于试件的尺寸。由于试件尺寸的增加,缺陷也相应的增多,可以得出强度也随之减小。传统上,Weibull的理论解释了混凝土结构构件断裂的尺寸效应。他说明了对两个几何相似但体积不同的试件做拉伸试验,相应的极限强度不同。Mihashi/Zaitsev/Mihshi得出了同样的结论。除了关于尺寸效应的统计,Bazant描述了第二个尺寸效应也就是混凝土断裂时的断裂尺寸效应。这就是Bazant的尺寸效应律,且与试验数据相吻合。在试验和理论领域尺寸效应进行了广泛的研究,并取得了显著的
14、成果。Bazant导出的尺寸效应律,考虑了裂纹扩展时的能量平衡和几何相似试件的三维分析。尺寸效应律可以用以下公式描述:N=B01+DD0-12+R (3) N表示失效时的名义强度,可以用公式N=cNPutD表示,其中,D是试件的特征尺寸,t是试件的厚度,cn表示荷载类型的常数。0是强度参数,B、D0、R是由几何相似试件试验数据的拟合曲线决定的经验参数。通常,常数R取0,除了有裂纹桥联残余应力,R在断裂过程区外,纤维复合材料或者塑性铰大规模并行出现,如Brazilian的开裂试验。尺寸效应律中R0也可以成为Kim等人用不同方法改进的尺寸效应律。这是唯一的表达基于断裂力学混凝土试件尺寸效应的方法。
15、尺寸效应律的导出是基于以下假设:断裂过程中势能的释放和裂缝的长度、开裂区的面积成比例,正面开裂区的宽带是常量,n是经验常数,g是最大骨料粒径。图4说明了Bazant的尺寸效应律。失效时小试件的强度接近材料的强度,没有尺寸效应的存在。这种情况对应于强度准则,在图4中用一条水平线表示。对于大的试验试件,有明显的尺寸效应。失效时材料的强度与特征尺寸成比例,符合R=0时经典线弹性断裂力学,在图4用一条倾斜直线表示。过渡尺寸是两条渐进性的交点,相当于D=D0.目前试验研究中的大部分混凝土试件在这些极端例子之间的过渡区。然而,无缺口试件如劈裂抗拉柱体中,特征尺寸非常大和非常小时,尺寸效应变的不明显,图4中
16、的弧形粗实线表示。4. 试验方案试验试件是立方体。为了确定尺寸效应,试验试件的尺寸有D=50,100,200mm。在论文,为了找到一个与混凝土承载强度的通式,不仅考虑了试件尺寸,还考虑了有效抗压强度f、c,最大骨料粒径g,有效面积与承载面积的比值R。六组试验试件(54个立方体试件),即A-F,进行了关于这三个变量不同组合的试验。每一组的全部试件都是同一批混凝土浇筑而成。三个相同的圆柱体试件直径为150mm和300mm,也是相应的同一批混凝土浇筑而成,以确定混凝土的抗压强度。A-D组的最大骨料粒径是8mm,E组是16mm,F组是4mm。每一批次的最大沙砾粒径是4mm。从矿物学上讲,骨料包括河沙。
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