混凝土剪切強度參數(shù)試驗研究

1、混凝土Concrete2009年第9期(總第239期Number 9in 2009(Total No.239doi :10.3969/j.issn.1002-3550.2009.09.012馬玉平,胡志平,周天華,馬昕,吳函恒,董海濤(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西西安710061Abstract:Testing the shear strength of the specimens in different strength grade and ages ,the development law of the concrete shear strength isexpounded.Then th

2、e parameters and appropriate test methods of concrete shear strength can be presented.And direct shear method is used to gain concrete compressive strength and the splitting tensile strength ,studying the relationship among them ,which can provide reference for the study of the concrete shear streng

3、th.Key w ords:concrete ;shear strength ;compressive strength ;splitting tensile strength 理論研究THEORETICAL RESEARCH摘要:通過測定不同強度等級試件在不同齡期下的抗剪強度,總結(jié)抗剪強度的發(fā)展變化規(guī)律,進而提出混凝土抗剪強度參數(shù)及適宜的混凝土抗剪強度測定試驗方法。采用直剪方法得到混凝土剪切強度,并對其與混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度之間的關(guān)系進行研究,為混凝土剪切強度的研究提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:混凝土;剪切強度;抗壓強度;劈裂抗拉強度中圖分類號:TU528.01文獻標志碼:A文章編號:100

4、2-3550(200909-0040-03Experim ental study on param eters of concrete shear strengthMA Yu-ping ,HU Zhi-ping ,ZHOU Tian-hua ,MA Xin ,WU Han-heng ,DONG Hai-tao(School of Civil Engineering ,Chang'an University ,Xi'an 710061,China 混凝土剪切強度參數(shù)試驗研究 收稿日期:2009-03-06基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(406020330引言混凝土抗壓、抗彎等性能

5、指標研究在國內(nèi)外比較成熟,在剪切強度方面的研究還比較少。隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大和研究工作的不斷深入1,混凝土的剪切強度作為混凝土的基本力學(xué)性能指標以及抗剪強度與抗壓、抗拉強度關(guān)系越來越受到廣泛重視。在隧道、地下結(jié)構(gòu)采用盾構(gòu)法施工地裂縫處對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部受力狀態(tài)和處于軟硬巖石、土過渡地帶結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)的研究課題中均提出了混凝土剪切強度性能指標的要求。1試件設(shè)計與制作1.1試件設(shè)計混凝土本身材性決定了其剪切試驗方法難以統(tǒng)一,國內(nèi)外常用的具有代表性的剪切試驗方法有以下幾種:“Z ”形試件3、“8”字形試件、厚壁圓筒受扭剪切試驗、缺口梁四點受力剪切試驗、二軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)剪切試驗4、等高

6、變寬梁四點受力剪切試驗。有些試驗方法簡單或者試件簡單,但應(yīng)力狀態(tài)與純剪相差較遠;有些應(yīng)力狀態(tài)與純剪接近,但是要求具備技術(shù)復(fù)雜的專用試驗設(shè)備3,一般的實驗室不易實現(xiàn)。綜合上述試驗方法的優(yōu)缺點,以及方便模具的制作、澆筑和拆卸,在研究混凝土抗剪性能時,使用“Z ”形試件試驗簡單、直觀,但存在缺陷。“Z ”形為單剪破壞,圖1為“Z ”形試件幾何模型。圖中陰影區(qū)即為試件的受剪區(qū),面積為100mm ×70mm 。由于“Z ”形試件在剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻,加載過程中圖2的A 區(qū)混凝土容易發(fā)生受拉開裂,影響剪切試驗效果。初步的試驗中,發(fā)現(xiàn)隨著加載過程的進行,由于試件中局部存在著扭矩的影響,圖2的

7、A 區(qū)混凝土受拉,形成兩條裂縫,在低齡期時,兩條裂縫形成后,并沒有產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞,最終的破壞方式仍為沿剪切面的剪切破壞;養(yǎng)護28d 后,進行加載試驗時,其直接發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。采用通用有限元軟件ANSYS 模擬,與試驗現(xiàn)象吻合,初步試驗沒有達到預(yù)想的目的。為了克服上述缺點,對“Z”形試件進行了改進,在初步試驗產(chǎn)生裂縫處每側(cè)配置2準12的L形鋼筋,距上下底面各15mm,鋼筋長210mm,以增強此處混凝土的剛度,避免此處先受拉開裂破壞。采用有限元軟件ANSYS模擬“Z”形試件的抗剪性能。圖3為有限元模型,試件的加載采用:柱底為面約束,三向位移均為0;柱頂在y方向上位移耦合,耦合點加豎直向下的位移荷載。有

8、限元軟件ANSYS模擬時混凝土的材料性能如下:f c=32.3MPa, f t=3.06MPa,E=314925MPa,=0.2。經(jīng)上述改進,有限元模型收斂性較好,剪切面上剪應(yīng)力分布比較均勻(圖5。1.2改進“Z”形試件制作改良“Z”形試件總體尺寸為100mm×100mm×300mm,在制模過程中利用100mm×100mm×300mm的模具和特制的上底為20mm、下底為50mm、高為50mm、寬為100mm、厚為2mm 的梯形鋼板組成“Z”形模具。1.3試件制作材料及配合比由于粗骨料的顆粒形狀和表面特征會影響到與水泥石的黏結(jié)力。碎石具有棱角,表面粗糙,與

9、水泥石的黏結(jié)較好,而卵石多為圓形,表面光滑,與水泥石的黏結(jié)較差,會對混凝土抗剪強度產(chǎn)生不同影響;根據(jù)GB502042002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與驗收規(guī)范的規(guī)定,混凝土粗骨料的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)截面的最小尺寸的1/4,根據(jù)試件尺寸,分別采用516mm的碎石和卵石,0.33和0.40兩種水灰比進行試驗,以求達到對比的效果。1.4試件制作配合比水泥:P·O32.5R;河砂:中粗;細度模數(shù):2.74,含泥量:0.8%;石子:516mm;壓碎指標:卵石5.8%,碎石6.5%;外加劑(減水劑,西安生產(chǎn)。用表1配合比拌制混凝土,測定坍落度和表觀密度,制作加鋼筋混凝土試件,加鋼筋時使鋼筋距上下底面各

10、15mm,為了防止鋼筋在振動中移位,每次放鋼筋前經(jīng)振動臺振搗密實,24h脫模,標準養(yǎng)護。2試驗過程在7、14、28d分別進行抗剪強度、抗壓強度和劈裂抗拉強度測定并記錄數(shù)據(jù)(見表2,所有數(shù)據(jù)均為計算機采集。抗剪試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機,控制加載速度為0.1kN/s。表1混凝土配合比表觀密度/(kg/m3247025202480253024402510試件組號J-1J-2J-3J-4J-11J-22水泥/kg420420480480420420砂子/kg657744642716648730石子/kg1220(卵1214(碎1193(卵1169(碎1204(卵1192(碎外加劑/kg4.2

11、4.24.2水/kg168168160160164164W/C0.400.400.330.330.390.39坍落度/mm16090553485 503試驗分析利用上述方法分6批進行了混凝土剪切強度、抗壓強度和劈裂抗拉強度測定試驗。由圖6可知,試件破壞特征為剪切破壞,與有限元軟件ANSYS分析的結(jié)果相吻合。從表2中可以發(fā)現(xiàn):抗剪強度與抗壓強度的增長趨勢是一致的,隨著混凝土的齡期增長,強度增長速度開始很快,后來逐漸緩慢。而劈裂抗拉強度在整個齡期內(nèi)增長速度較為緩慢?？辜魪姸却蠹s為抗壓強度的1/81/11,為劈裂抗拉強度的1.41.9倍。綜合卵石和碎石不同齡期所有的抗剪強度與抗壓強

12、度之間關(guān)系,得出圖7、8。由圖7、8得知卵石數(shù)據(jù)較碎石數(shù)據(jù)離散性大(結(jié)合截面破壞特征進行分析,當受剪區(qū)的石子顆粒較大且朝向與加載方向相反時抗剪能力有所增強,而卵石表現(xiàn)的更為突出。具體原因需進一步研究。根據(jù)卵石的試驗數(shù)據(jù),當抗壓強度在4055MPa 時,抗剪強度在46MPa之間?？辜魪姸却蠹s為抗壓強度的1/81/11。根據(jù)碎石的試驗數(shù)據(jù),混凝土抗剪強度與抗壓強度存在如下關(guān)系:=8.496ln f cu-27.725(1式中:混凝土剪切強度,MPa;f cu混凝土抗壓強度,MPa。綜合卵石和碎石不同齡期所有的抗剪強度與劈裂抗拉強度之間關(guān)系,得出圖9、10。由圖9、10得知卵石數(shù)據(jù)較碎石數(shù)據(jù)離散性仍

13、然較大。根據(jù)卵石的試驗數(shù)據(jù),當劈裂抗拉強度強度在34MPa時,抗剪強度在46MPa之間?？辜魪姸燃s為劈裂抗拉強度的1.41.9倍。根據(jù)碎石的試驗數(shù)據(jù),混凝土抗剪強度與劈裂抗拉強度存在如下關(guān)系:=9.4606ln f t,s-6.2307(2式中:混凝土剪切強度,MPa;f t,s混凝土劈裂抗拉強度,MPa。表2試驗數(shù)據(jù)記錄及處理立方體抗壓強度/MPa 抗剪強度/MPa劈裂抗拉強度/MPa組號J-1 J-2 J-3 J-4 J-11 J-22123平均值123平均值123平均值123平均值123平均值123平均值14d43.246.440.643.446.649.451.949.349.353.

14、953.752.359.662.665.362.541.045.047.544.547.754.054.151.97d35.439.640.838.643.139.544.042.242.946.545.645.053.559.357.056.639.641.441.941.048.347.546.947.628d47.841.149.046.053.757.155.755.553.355.868.369.967.048.850.743.447.657.657.857.357.614d4.425.055.144.875.364.955.295.204.824.78-4.

15、808.505.495.955.345.605.165.966.375.837d4.584.013.564.054.364.02-4.194.305.124.654.697.215.306.266.264.435.244.374.685.824.895.525.4128d6.085.734.875.566.825.604.565.755.108.057.869.168.365.045.926.535.835.776.806.846.4728d3.713.953.803.823.803.753.613.723.863.543.793.734.794

16、.504.484.643.223.883.753.763.8014d3.743.483.823.683.553.023.363.313.173.733.903.603.644.184.364.062.743.573.4033.443.747d3.563.473.713.583.112.932.722.922.953.863.603.473.143.854.263.753.203.263.013.163.763.403.453.54·下轉(zhuǎn)第52 頁齊次泊松和非齊次泊松任意時刻的時間與等級變化曲線,見圖2。由圖2可知,齊次泊松和非齊次泊松的時

17、間與等級的變化曲線基本一致,隨著時間的增長,等級不斷增加,鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性逐漸惡化。根據(jù)圖2可以確定出此地區(qū)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性等級所對應(yīng)的時間,達到對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進行預(yù)測的目的。4結(jié)論時間連續(xù)狀態(tài)離散是預(yù)測鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一種新方法,根據(jù)上述分析可以得到如下結(jié)論:時間連續(xù)狀態(tài)離散的馬爾科夫過程考慮了時間的齊次和非齊次兩個方面,由于考慮的因素較全面,因此得到的預(yù)測結(jié)果也比較符合實際情況;齊次泊松和非齊次泊松的計算簡單、概念清楚,其預(yù)測結(jié)果的準確性和可靠性容易得到保證;結(jié)合時間連續(xù)狀態(tài)離散的相關(guān)概念,對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的預(yù)測過程進行了簡要的介紹;通過算例驗證了鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)

18、耐久性的預(yù)測過程,從時間和等級的曲線可以看出,隨著時間和等級的不斷增加,鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)耐久性逐漸惡化,且齊次泊松和非齊次泊松兩種預(yù)測方法的結(jié)果也比較接近,說明采用齊次和非齊次兩種預(yù)測方法都是可行的。參考文獻:1繆克旭.鋼骨混凝土耐久性評估D.上海:上海大學(xué),2004.2張新占.橋梁管理系統(tǒng)研究D.西安:長安大學(xué),2004.3YANG Ji-dong ,CUNARATNE M ,LU J J ,et al.Use of recurrent Markovchains for modeling the crack performance of flexible pavements J.Journal

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21、tion probabilities using stochastic duration modelsJ.Journal of Infras -tructure Systems ,2002,8(4:139-148.10葉爾驊.概率論與隨機過程M.北京:科學(xué)出版社,2005.作者簡介:哈娜(1981-,女,博士研究生。單位地址:沈陽市和平區(qū)文化路3號巷11號東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院(110004聯(lián)系電話:137*表3齊次泊松和非齊次泊松的計算結(jié)果參數(shù)估計轉(zhuǎn)移概率期望等級齊次泊松=0.15P (20=0.04980.14940.22040.22040.360000.04980.14940.22040.5804000.04980.14940.80080000.04980.95020!""""""&