湿筛二级配大坝混凝土双轴应力下的强度特性.pdf
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1、第 2 9 卷 第 2期 2 O 1 2年 6月 建 筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 2 9 NO 2 J u n e 2 O 1 2 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 6 7 0 7 0 湿筛二级配大坝混凝土双轴应力下的强度特性 马 超 , 李光伟 , 周 军 , 吴智敏 ( 1 大连理工大学 土木工程学院 , 辽宁 大连1 1 6 0 2 4 ; 2 中国水 电顾 问集团成都勘测设计
2、研究院 , 四川 成都6 1 0 0 7 2 ) 摘 要 : 采 用大连 理工 大 学 自行 研制 的 电液伺服 三 轴 试验 系统 , 结 合 溪洛 渡 大 坝 实 际工程 , 对 大坝 湿 筛二级 配 混凝 土进行 了单轴拉 、 单轴压 、 双 轴拉 压 、 双轴 压 压及 双 轴拉 拉 应 力状 态 下 的强度 特 性 试 验 研 究 。在 进行 双 轴拉 压试 验 时 , 提 出 了一 种 新 的 加 载 方 式 , 即双 钢 板一 塑料 毛 刷 组 合 连接 方 式 。 试验结果表 明: 该加载方式能使试件端部拉应力传递更加均 匀, 有效消除了拉端粘贴钢板对试件受 压 变形 的约 束
3、作 用 , 提 高 了试 验精 度 , 同时能 大大提 高试验 效 率 ; 根 据 试 验 结 果 建立 的 双轴 应 力 状 态下 的主应 力 空 间破 坏 准则 可 以为 大体 积 水 工混凝 土结 构设 计及 非线 性分析 提供 参 考 。 关 键词 : 混 凝土 ; 双轴 应 力 ; 湿 筛二 级 配 ; 破 坏准 则 ; 强度特 性 ; 非线性 分析 中图分 类号 : TU5 2 8 1 文献 标 志码 : A St r e n g t h Pr o p e r t i e s o f W e t 。 s c r e e n e d Two g r a d e d Co n c r
4、e t e f o r Hi g h Ar c h Da m Und e r Bi a x i a l Ag g r e g a t e S t r e s s M A Ch a o ,LI Gu a n g we i ,ZHOU J u n ,W U Zh i mi n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ,L i a o n i n g,C h i n a 2H y dr o
5、c hi n a Che n gdu Engi ne e r i ng Cor p or a t i o n,Che n gdu 6 1 00 72,Si c hua n,Chi n a) Ab s t r a c t :Co mb i n e d wi t h t h e Xi l u o d u Hi g h Ar c h Da m p r o j e c t ,a u t h o r s p r e s e n t e d a n t e s t s t u d y o n t he s t r e ng t h p r op e r t y o f we t s c r e e ne
6、d t wo gr a d e d a g gr e ga t e c o nc r e t e f o r hi gh a r c h da m u nd e r un i a xi a I t e ns i o n, un i a xi a l c o mpr e s s i on, b i a xi a l t e ns i on c o m p r e s s i o n, bi ax i a l c o mpr e s s i on a nd bi a x i a l t e ns i o n s t r e s s by us i ng t he e l e c t r o hy
7、d r a ul i c s e r vo c o nt r o l l e d t r i a x i a l t e s t ma c h i ne of Da l i a n U n i v e r s i t y o f Te c hn o l og y A ne w t e s t l o a di ng me t h o d wa s d e v e l o p e d f o r e v a l u a t i n g t h e c on c r e t e s t r e n gt h u nd e r t e n s i on c ompr e s s i on s t r
8、 e s s, i n whi c h a g l ue d do ub l e pl a t e d ma nn e r c ombi n e d wi t h pl a s t i c br us he s wa s a d o pt e dTh e t e s t r e s ul t s s ho w t h a t t h i s n e w me t ho d c a n m a ke t h e t r a n s f o r me d s t r e s s mo r e u n i f o r m,a n d c a n e f f e c t i v e l y e l i
9、 mi n a t e t h e c o mp r e s s i o n d e f o r ma t i o n r e s t r a i nt o f t h e bo nd e d s t e e l t o t he c o nc r e t e s pe c i me n a t t he t e n s i on e nd M e a nwhi l e , i t c a n i mpr o v e t he t e s t pr e c i s i on a nd c a n i n c r e a s e t he t e s t e f f i c i e n c y
10、Th e a p pr o pr i a t e f a i l u r e c r i t e r i o n d e v e l o pe d i n t h e pr i n c i p a l s t r e s s s p a c e f o r b i a x i a l s t r e s s s t a t e s ba s e d on t h e t e s t r e s u l t s c a n p r o vi d e t he r e f e r e nc e s f or m a s s hy dr a u l i c c o n c r e t e s t r
11、 uc t ur a l de s i g n a nd n on l i ne a r a na l y s i s Ke y wo r ds :c o nc r e t e;bi a x i a l s t r e s s;we t s c r e e ne d t wo g r a de d;f a i l u r e c r i t e r i o n;s t r e n gt h pr o pe r t y;no nl i ne a r a na l y s i s 引 近年来 , 随着有限元及高速计算机的迅猛发展 , 人们对混凝土结构的设计思想已从传统的弹性设计 发展到非线性极限设
12、计 。作为结构非线性分析技术 的核心问题, 混凝土在多轴应力状态下的强度和变 收稿 日期 : 2 O 1 1 - 1 2 2 7 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 0 3 6 ) 作者简介 : 马超( 1 9 8 7 一 ) , 男, 湖北襄 阳人 , 工学硕士研究生 , E ma i l : ma t h e w2 0 0 9 1 2 6 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 建筑科 学 与工程 学报 2 O 1 2年 形研 究也 日益 受 到 重 视 。 j 。大 体积 水 工 混 凝 土 的 多轴 强度 准则
13、及本构 关 系的研究 从 2 O世 纪 8 O 年 代 起在 中国逐步开展 , 并取得了大量的成果 8 。 。但 由于混凝 土 内部结 构 的多 相性 以及 试 验设 备 、 试 验 手段 的限制 , 混凝 土多轴强度理论体 系 尚未建立。 另外 , 大体积水工混凝土结构某些部位处于双轴拉 压 及 三轴拉压 压 应 力 状态 。在这 些 应 力 状态 下 , 混 凝 土抗 拉强度 低 于其 单 轴 抗拉 强 度 , 抗 压 强 度也 低 于其单 轴抗 压强 度 。因此 , 如 果 以单 轴 抗 拉 强 度作 为混凝 土 的强度 指标 设 计 拱 坝 , 会使 设 计 结 果 偏 于 不安 全
14、, 而对 处 于双轴 受压 或三 轴受压 的部 位 , 采 用 单轴抗压强度指标进行设计 , 又会使结果偏于保守 , 不能 充分 利用 混凝土 材料 的强度 。 本 文 中笔 者采用 与溪 洛渡 大坝混 凝土 相 同的配 合 比 , 按 照 水 工 混凝 土 试 验 规 程 1 4 中 的建 议 , 制 作湿 筛二 级配 混 凝 土 小 试件 ( 1 0 0 mm1 0 0 mm 1 0 0 ram) , 并 利用 一种新 的双 轴拉 压加载 方 法 , 进 行 了单 轴及 双轴 应力 状 态 下 混凝 土 强 度 试验 研 究 , 并 基 于试 验结果 在 主应力 空间 内建立 了双轴 应力
15、 状态 下 的破 坏准则 , 为大 体积 水 工 混凝 土结 构 设计 及 非 线 性分 析提 供 了参考 。 1 试验概况 1 1 试 件制备 试验采用的混凝土配合 比与溪洛渡大坝混凝土 相 同 。水 泥为华 新水 泥股 份 有 限公 司 生 产 的 4 2 5 级中热硅酸盐水泥 , 粉煤灰采用华珞 I级粉煤灰 , 砂 为灰 岩砂 ( 粒 径 小 于 5 mm) , 粗 骨料 为 四级 配 玄 武 岩碎 石 , 其 中 小 石 ( 粒 径 5 2 0 mm) 、 中石 ( 粒 径 2 0 4 0 ram) 、 大石 ( 粒 径 4 0 8 0 mm) 、 特大 石 ( 粒 径 8 O 1 5
16、 0 ram) 的 比 例 为 2 O: 2 O:2 5:3 5 。减 水 剂 为 Z B 一 1 A缓 凝高 效减 水剂 , 引气 剂为 Z B 一 1 G混凝 土 引气 剂 , 具体 的混凝 土配 合 比见 表 1 。 表 1 溪 洛 渡 大 坝 混 凝 土 配 合 比 Ta b 1 M i xt u r e Pr o p or t i on s o f Co nc r e t e f o r Xi l u o du Hi g h Ar c h Da m 混凝土强 , l 各 材 料 用 量 , ( k g 。 n -i ) 坍 落 度 含 气 量 度 等 级 、 l 水1 水 泥I粉 煤
17、 灰 l 砂I 石 C m I I I 1 C I8 () 4 O 0 4 1 l 8 2 I 1 3 0 l 7 0 l 5 1 1 1 1 8 4 3 4 6 4 5 注 : 复掺 J M ( c ) 高效碱 水剂与 Mi c r o A I R2 0 2混凝 土引气剂 。 湿 筛试 件 用 自制 的钢模 统 一 浇筑 成 2 0 0 mm 2 0 0 IT l m2 0 0 mi t t 的立方体 。采用人工拌合混凝 土, 筛出粒径大于 4 0 mm 的碎石 , 用平板振捣器振 捣密实。所有试件均在 4 8 h后脱模 , 放在室内浇水 养 护至 2 8 d , 然后 在 自然 条 件下
18、养 护 。因 受 三轴 试 验 机量程 的 限制 , 当试 件 养 护 至 9 0 d龄 期 , 用 岩石 切 片机将 试件 切成 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的 立 方体 。试 件切 割完 毕 后 , 用 大 理 石磨 面 机 将 试 件 表 面磨 平 。 1 2试验 方法 试 验 在 大 连 理 工 大 学 结 构 实 验 室 三 轴 试 验 机l_ 上进行。在试件单轴拉伸及双轴拉压试验中, 主拉 应力方 向试 件与试 验机 的连 接方 式均采 用双 钢 板一 塑料 毛刷组 合连 接 , 如 图 l所示 , 其 中 , 半 径 r = = = 3 0 mm。与传统 的
19、拉伸方法 , 如 内置钢筋式 、 端 部摩 擦夹 持 式 口 、 单 钢 板 粘 贴 式 和 双 钢 板 粘 贴 式 1 相 比 , 双 钢 板一 塑 料 毛 刷 组 合 连 接 方 式 能 使 试 件 端部拉 应力 传递 更 加 均匀 ; 在 多轴 拉 压组 合 加 载 试 验 中 , 可 以消除受 拉 钢 板 对试 件 受 压 变形 的约 束 作 用 , 试 件加 载完毕 后 可 直 接切 除粘 贴 钢板 上 的塑 料 毛刷 , 回收 粘贴钢 板 , 方便快 捷 。 为了保证塑料毛刷与混凝土试件表面的粘贴质 量 , 在粘贴之前将粘贴 面用大理石磨 面机磨 骨料 并用无水乙醇清理干净 。将塑
20、料毛刷的刷齿用砂纸 打磨后 , 将胶 粘 剂 均匀 涂 抹 在试 件 的粘 贴 面 。接 着 将 塑料 毛刷 放在 粘贴 面 上 并 压 实 固定 , 再 将 粘 贴 钢 板与 塑料 毛刷 基 座 粘贴 好 , 放 置在 2 5 6 0 的 环境 中养 护直 至胶结 面完全 固化 。 在进行 单轴 拉伸 加载 时 , 将养 护好 的试件 取 出 , 用螺栓将传力钢板与粘贴钢板连接 , 通过扭力扳手 对螺母施加扭矩直至拧紧, 传力钢板另一端与液压 伺服试验机的拉力球面铰连接。为了满足试件轴心 受拉 , 可通 过调 整螺 母 的 旋 入深 度 完 成试 件 的几 何 对 中 。按 恒 应 变 速
21、率 控 制 进 行 加 载 , 加 载 速 率 为 2 1 0 S 。在进 行单 轴 压 、 双轴 压 压 以及 双轴 拉 压试 验 时 , 为 了消 除垂 直 于压应 力方 向环箍 效应 , 采 取 的减摩 措施 为 3层 聚 氯 乙烯 塑 料 片 夹 2层 黄 油 , 减 摩后 立方体 的单 轴抗 压强度 大致 相 当于棱柱 体强 度 , 试验 结果 稳定 。 试 件变形 量测 采用 外接 L VD T 传感 器 , 非线 性 度小于 0 0 5 , 每个加载方 向设置 2个 , 布置在试 件对角方向, 最终变形值取 2个 I VD T传感器读数 的平均值。 2试验结果及 分析 2 1 破
22、 坏形态 湿筛二级配混凝土在单轴及双轴应力状态下, 根据 应力 比的 不 同 , 破 坏 形 态 可 分 为 拉 断 、 柱 状 破 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 2丘 表 2 双轴应力下湿筛二级配混凝土极限强度平均值 Ta b 2 Ul t i m a t e St r e n g t h Av e r a g e Val u e s o f W e t 。 s c r e e n e d Two - g r a d e d Co nc r e t
23、 e Un de r Bi a x i a l St r e s s 极限强度平均值 MP a 应 力状态 1。 2 试件数 1 2 3 单 压 0:0: 1 5 0 0 0 0 0 0 3 2 4 3 0 :0 2 :一 1 4 0 0 0 9 8 3 49 63 双 轴压 压 0:一0 5: 一 】 5 0 0 0 2 9 9 9 6 0 3 1 0 : 1 : 1 4 0 0 0 51 4 8 5 1 48 单拉 l: 0: 0 5 2 6 O 0 0 0 0 0 0 0 0 2 :0 : 1 3 0 3 5 0 0 0 1 7 5 8 0 0 5 :0 : 1 4 0 7 1 0 0
24、0 1 3 7 2 0 1:0 :一 1 5 0 8 0 0 0 0 7 07 0 1 5:0 :一 1 4 0 9 7 0 0 0 5 9 1 双轴拉压 0 2:0 : 1 4 1 1 3 0 0 0 5 3 9 0 3:0 : i 4 1 1 1 0 0 0 3 7 0 O 5:0 : 1 4 J _ 3 2 O 0 0 2 4 9 0 7:0: 1 4 1 4 8 0 0 0 2 2 5 1 :1:0 5 2 1 7 2 1 5 0 0 0 双轴拉拉 1:0 5:0 5 2 2 4 1 O 6 0 0 0 2 3 1双 轴 压 压 Ku p f e r 等 、 王传志等 、 I i u等
25、 的试验结 果 与湿筛二 级 配混 凝土 试 验 结果 对 比如 图 3 所 示 , 图 3中, _ 厂 c 为单轴抗压强度平均值 。 2 一 O 5 1 0 一 1 5 2 0 2 5 。 莫尔 库伦 一一 Ni l s o n Li u 等 - Ku p f e r 等 一 - 王传 志等 江 见鲸 试验 值 试 验 曲线 图 3 本 文试验 结果与 Ku p f e r 等 的双轴 受压强度 包络线对比 Fi g 3 Co mpa r i s o ns o f Te s t Re s u l t s Obt a i n e d i n t h e Pap e r a nd St r e
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