高温前后高强混凝土多轴力学性能试验研究

论文摘要

目前,国内外关于混凝土多轴力学性能研究绝大多数局限于普通强度混凝土,而且是在常温条件下;而在实际工程中经常会遇到高温或火灾前后钢筋混凝土结构非线性设计与分析问题,这就需要建立高温前后混凝土多轴破坏准则和本构关系;近年来,高强混凝土正逐渐取代现有的普通混凝土;因此,常温下和高温后高强混凝土在多轴应力状态下力学性能研究迫在眉睫。本文结合辽宁省教育厅高等学校科学研究项目《恶劣环境因素下混凝土破坏准则和耐久性研究》（2023901023）和正在申请中的高等学校博士学科点专项科研基金资助项目《剪力墙持载下抗火性能及火灾后抗震性能试验研究》,进行了常温下和高温后6个试验温度（20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃）的两种强度等级（C60和C50）高强混凝土在多轴应力状态下强度与变形性能试验,并在分析其试件在不同应力状态和不同应力比,以及不同温度高温后的相应破坏形态及机理、多轴强度和峰值应变与应力应变曲线规律性等基础上,给出了其相应的强度与变形结论,建立了其相应的高温前后高强混凝土多轴力学模型,其与试验结果符合较好;本文的主要研究工作和创新成果具体如下:1.进行了常温下两种高强混凝土在多轴应力状态下的强度与变形试验,其应力状态包括6种:单轴拉、单轴压、双轴拉压、双轴压压、三轴拉压压、三轴压压压。建立了高强混凝土在多轴应力状态下的破坏准则公式。在多轴压下高强混凝土强度和峰值应变提高倍数较普通混凝土小,而其多轴拉压力学性能相差不大,略有降低。2.进行了高温后两种高强混凝土单轴受拉和受压强度与变形试验。给出了能够反映其单轴抗拉和抗压强度与其初始弹性模量等随温度变化的公式,并建立了其应力-应变曲线方程。高温200℃、300℃后,其单轴压强度较常温下略有升高,其峰值应变反而略有降低。3.进行了高温后两种高强混凝土在双轴压、三轴压下的强度与变形试验。给出了其在双轴压下第三主应力方向的初始弹性模量计算公式。在多轴应力状态下分别建立了带有温度参数的高温后高强混凝土破坏准则公式。高温后高强混凝土双轴压、三轴压强度相对于其单轴压强度提高倍数取决于其应力比以及不同温度高温后高强混凝土单轴压强度;200℃、300℃后稍低,400℃～600℃逐渐升高,三轴压强度提高幅度较双轴压更大;其峰值应变变化规律相似于强度。常温下和高温后高强混凝土单轴压强度越大,其多轴压强度提高倍数越小;反之,则越大。4.进行了高温后高强混凝土（C60）在双轴拉压、三轴拉压压下的强度与变形试验。建立了带有温度参数的高温后高强混凝土多轴拉压破坏准则公式。高温前后多轴拉压强度在所有的应力比下都比其相应的单轴拉、压强度小,在应力比α=0～0.2,多轴拉压强度σ3f迅速降低;但高温400℃～600℃后两者应力状态差异程度逐渐减小,而且,其多轴拉压强度降低幅度较常温下的更大。5.基于过-徐正交异性本构模型,考虑了高温因素、高强混凝土特点对其破坏形态和应力-应变曲线的影响,在不同应力状态下分别建立了高温前后高强混凝土多轴正交异性本构模型。本项研究填补了国内外关于“高温后高强混凝土多轴力学性能试验研究”的空白,建立带有温度参数高强混凝土多轴破坏准则和本构关系是本文的创新之处,可为高温前后高强混凝土结构设计分析,以及灾后损伤评估与修复加固提供更符合实际的计算力学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外对混凝土高温力学性能的研究概况
• 1.2.1 高温下和高温后混凝土力学性能的研究现状
• 1.2.2 国内外对混凝土高温力学性能研究缺陷
• 1.3 国内外对混凝土多轴力学性能的研究概况
• 1.3.1 混凝土多轴破坏形态
• 1.3.2 混凝土双轴强度与变形的研究现状
• 1.3.3 混凝土三轴强度与变形的研究现状
• 1.4 国内外对混凝土破坏准则和本构模型研究现状
• 1.4.1 混凝土破坏准则概述
• 1.4.2 混凝土本构模型研究现状
• 1.5 高强混凝土基本力学性能
• 1.6 本文的主要工作
• 2 试验概况
• 2.1 试件设计
• 2.1.1 材料选用
• 2.1.2 混凝土的配合比
• 2.1.3 试件尺寸设计
• 2.1.4 试件制作与养护
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试验温度和应力比设计
• 2.2.2 试件减摩方法与试件受拉设计
• 2.3 试验设备
• 2.3.1 电液伺服压力试验机
• 2.3.2 混凝土高温试验设备
• 2.3.3 多功能三轴试验系统
• 2.4 高温与三轴加载试验方法
• 3 高强混凝土多轴力学性能试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验现象与破坏形态
• 3.3 试验结果
• 3.4 强度规律与破坏准则
• 3.4.1 高强混凝土强度规律
• 3.4.2 高强混凝土破坏准则
• 3.5 变形规律和应力应变曲线
• 3.6 本章结论
• 4 高温前后高强混凝土单轴力学性能试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验现象与破坏形态
• 4.2.1 高温时的实验现象
• 4.2.2 试件加载方向与破坏形态
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 高温后抗压强度
• 4.3.2 高温后抗拉强度
• 4.3.3 高温后变形性能
• 4.3.4 高温后初始弹性模量和峰值割线模量
• 4.4 应力应变曲线方程
• 4.4.1 受压应力应变曲线方程
• 4.4.2 受拉应力应变曲线方程
• 4.5 本章结论
• 5 高温前后高强混凝土双轴压力学性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验现象与破坏形态
• 5.2.1 试验现象
• 5.2.2 破坏形态
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 强度规律
• 5.3.2 变形规律
• 5.3.3 最大主压应力方向初始弹性模量
• 5.4 应力应变曲线
• 5.5 破坏准则
• 5.6 本章结论
• 6 高温前后高强混凝土三轴压力学性能试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验现象与破坏形态
• 6.2.1 试验现象
• 6.2.2 破坏形态
• 6.3 试验结果与分析
• 6.3.1 强度规律
• 6.3.2 变形规律
• 6.4 应力应变曲线
• 6.5 破坏准则
• 6.5.1 提出新的破坏准则必要性
• 6.5.2 本文所建立的破坏准则
• 6.6 本章结论
• 7 高温前后高强混凝土多轴拉压力学性能试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验现象与破坏形态
• 7.2.1 试验现象
• 7.2.2 破坏形态
• 7.3 试验结果与分析
• 7.3.1 强度规律
• 7.3.2 变形规律
• 7.4 应力应变曲线
• 7.5 破坏准则
• 7.6 本章结论
• 8 高温前后高强混凝土多轴本构模型试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 破坏形态和等效单轴应力-应变关系
• 8.2.1 破坏形态的划分
• 8.2.2 应力水平指标β
• 8.2.3 等效单轴应力-应变关系
• 8.3 基本方程和计算式
• 8.3.1 正交异性材料的基本方程
• 8.3.2 全量式本构模型
• 8.4 计算流程图
• 8.5 高温前后高强混凝土多轴应力-应变的理论曲线
• 8.6 本章结论
• 9 结论和展望
• 9.1 本文的主要结论
• 9.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢