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混凝土剪切强度试验研究方法

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2019-12-05 04:44

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摘要:本文收集总结国内外相关文献资料中关于混凝土剪切强度的研究成果,分析在不同试验方法下混凝土剪切强度试验值差异的主要原因。从试验的可行性和可推广性出发,为测定混凝土剪切强度提供可靠的试验方法。

　　　　关键词:剪切强度;纯剪;试验方法;粗骨料

　　0引言

　　混凝土作为现代社会的基础,其应用领域几乎涉及社会生产的各个方面。随着混凝土材料的不断发展和研究水平的深入,其各项性能指标的试验方法不断得到完善1。混凝土抗压强度,抗拉强度和弹性模量等指标的测试方法和评定方法在国家标准中均有详细规定,而混凝土抗剪强度作为混凝土一项基本力学性能指标,又是强度理论研究和有限元分析的重要数据,研究的资料相对较少。在地铁工程和隧道工程中,遇到地裂缝或软硬岩石过渡地带,混凝土构件的抗剪能力显得尤为重要,然而由于混凝土抗剪试验较抗压、抗拉试验要复杂的多,就试件的选择上尚无统一规定,不同试件在不同测试方法下测定的抗剪强度相差悬殊。

　　1国内外研究现状

　　1.1 矩形短梁直接剪切Morsch2等最早提出矩形短梁直接剪切法(图1),该方法是最早测定混凝土剪切强度的试验方法,试验直观且简单。时间的破坏剪切面石油锯齿状裂缝构成,锯齿的两个方向分别有混凝土的抗压(fc)和抗拉强度(ft)控制,平均抗剪强度的计算式为:τp=k

　　式中:k为修正系数,取0.75。这类试验得到的混凝土抗剪强度值较高,可达:τp=(0.17~0.25)fc=(1.5~2.5)ft

　　1.2 单剪面“Z”形试件3Hofbeck等2采用“Z”形试件(图2)研究混凝土的剪力传递,适当布置钢筋,是试件在预期的平面破坏。这种形式的试件会产生较大的垂直应力影响混凝土的抗剪强度。试验结果表明:混凝土抗剪强度的试验值约为:τp=0.12f′c

　　式中:f′c为圆柱体抗压强度,N/mm2。

　　1.3改进“Z”形试件4青岛建筑工程学院的董毓利等6利用改进的“Z”形试件进行了两批共六个混凝土纯剪切试验,同时对每批试件进行了三个轴心受压试件和三个立方体试件试验。根据试验结果,给出混凝土抗剪强度和轴心抗压强度的关系如下:

　　τp=7.848f×10

　　式中: fc为混凝土轴心抗压强度,MPa;τp 为混凝土抗剪强度,MPa 。

　　1.4 缺口梁四点受力5Iosipescu N等设计了缺口梁四点受力法(图3)测定。混凝土剪切强度。该方法中梁的中央截面弯矩为零,中间区段的剪力为常值。由于梁的中间的缺口大,凹角处应力贯穿缺口截面而破坏,但不集中严重,裂缝从凹角开始,是从截面中部的最大剪应力处首先开裂。试验得到的混凝土抗剪强度值(τ)约与抗拉强度(ft)相等。

　　1.5 薄壁圆筒受扭6试件的薄壁很薄时,为理想的均匀、纯剪应力状态。试件尺寸参见文献4,试件沿45。的螺旋线破坏,混凝土的剪切强度按试件的破坏扭矩(Tp)计算:

　　τp=≈0.08f≈f

　　式中:D和t——圆筒试件的外径和壁厚,mm

　　1.6 四点受力等高梁抗剪试验7清华大学过镇海,张琦采用四点受力等高变宽梁剪切试验方法进行混凝土抗剪试验,该方法是一种改进的缺口梁四点受力试验,剪切试验梁首先从剪应力为0的缺口凹角的尖端出现裂缝,而不是从应力最大的缺口截面中部出现裂缝,因此变成等高梁,从而解决了缺口附近应力严重集中的现象。文献作者在试验结果的基础上,给出混凝土抗剪强度和立方体抗压强度的关系(图4),用最小二乘法得到抗剪强度的回归式为:τp=0.39f

　　式中:fcu为标准混凝土立方体抗压强度(试件边长150mm),N/ mm2。

　　另外,文献8 9等都根据试验成果或复合强度理论,给出了抗剪强度和抗压强度的经验公式。

　　2混凝土剪切强度试验方法分析

　　上述试验方法在不同时期均作为测定混凝土剪切强度的基本方法,为工程界提供混凝土的剪切强度参数,指导工程设计与施工。随着计算机的不断发展,有限元分析软件广泛应用于工程设计与分析中。对不同试件进行有限元分析,可以得到较为准确的应力分布图,进而指导试验过程,测得接近于“纯剪”状态的混凝土剪切强度。 [page]

　　过镇海等7使用SAP-5对1.1和1.2中使用的试件进行应力分析,发现矩形梁双剪面试件和“Z”形试件的剪切面上,剪应力分布不均匀,且垂直方向正应力σy是剪应力τxy的2~8倍,与纯剪状态相距甚远,得出的抗剪强度试验值因正应力作用而提高。

　　董毓利等4使用的改进“Z”形试件,经利用SAP-91程序对进行了应力分析,试验结果表明:试件剪切面的剪应力分布较为均匀,y方向的正应力较之“Z”形试件有较大的改善,比较接近剪切状态。可以作为测定混凝土剪切强度的一种方法,但是其试件的制作比较麻烦,不易于推广使用。

　　Bresler B等6 中提出的薄壁圆筒受扭试件,虽然在试件的薄壁很薄时,为理想的均匀、纯剪应力状态,但试件的制作较为困难,且必须具备技术复杂的专用试验设备,一般试验室不宜实现。也不易于推广使用。

　　过镇海等在总结前人试验的基础上,提出了四点受力等高梁抗剪试验法5。该试件(图5)跨中部分剪力为常数,跨中截面弯矩为零。跨中截面和荷载作用点间有一定距离,由圣维南原理知,截面上应力受荷载作用的局部影响很小。有限元分析结果表明,跨中截面的中部剪应力分布均匀,正应力(σx,σy)小于剪应力值的20%(如图6),故可以认为试件的中央部分接近纯剪状态。文献作者按该方法对不同强度等级的混凝土进行抗剪试验,量测得试件的主拉、压应变的典型曲线(如图7)。不同强度等级(≤70)的混凝土试件,剪切破坏形态相同,通常只有一条斜裂缝。裂缝断口的截面清晰、整齐,两旁混凝土坚实,无破损症状。试件的破坏特征与斜向受拉(主应力方向)相同。文献10中给出了混凝土抗拉强度与抗压强度的关系,进而可知混凝土抗拉强度与抗剪强度关系如下:

τp=1.2f

　　当ft =(1.8~5.0)MPa时,τp/ ft = 1.12～1. 004。随着混凝土强度的增大(fcu→96.6MPa),此比值趋近于1。即可认为两者近似相等。这一结论与薄壁圆筒受扭等试验结果相一致。

　　上述试验方法均以碎石混凝土为研究对象,由于不同类型粗骨料对混凝土强度的贡献差异较大,故使用碎石混凝土得到的剪切强度与抗压强度之间的相关关系对于卵石混凝土未必适用。长安大学马玉平等11采用“Z”试件对不同类型粗骨料的混凝土剪切强度做了大量研究,给出了不同类型粗骨料混凝土剪切强度与抗压强度之间的关系,尽管“Z”试件剪切面上剪应力分布不均匀,但仅从粗骨料类型对混凝土剪切强度的影响方面来讲,也具有一定的指导意义。

　　3结论

　　3.1 不同测试方法测定的混凝土剪切强度差别较大,建议采用四点受力等高梁,该试件制作简单,且剪切面的剪应力分布较为均匀。

　　3.2 混凝土抗剪强度与抗拉强度较为接近,但略大于抗拉强度,对于普通混凝土,取抗拉强度值作为抗剪强度值是安全的。

　　3.3 粗骨料类型影响混凝土剪切强度与抗压强度之间的关系,故选取混凝土剪切强度时,碎石混凝土与卵石混凝土应分别考虑。

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