混凝土长方柱抗压强度及尺寸效应试验研究.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 5 期 (总 第 2 8 3 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 3 ( T o t a l N o 2 8 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 5 0 0 1 混凝土长方柱抗压强度及尺寸效应试验研究 李振宝 ,孙粉粉 。郭二伟 ,张红贤 ( 北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 : 国内外研究及设计规范大多采用棱柱体或圆柱体
2、作为混凝土轴心抗压强度的标准试件, 对长方柱的抗压强度研究较少。 通过对 1 6组不 同尺寸的混凝土长方柱的轴压试验 , 研究其极 限荷载及抗压强度 。 结果表明: 长方柱混凝土抗压强度随着长 、 宽 、 高的增加而降低, 具有明显的尺寸效应 ; 并通过分析拟合得到轴心抗压强度的尺寸效应修正系数 , 轴心抗压强度修正值和极限荷 载修正值均 与试验值较为接近。 关键词 : 混凝土长方柱 ;轴心抗压强度 ;尺寸效应 ;试验研究 中图分类号 : T U5 2 8 叭 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 1 0 5 Si z e
3、e ffe c t o n a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p r i s m c o n c r e t e s p e c i m e n s LIZh e n b a o, SUN Fe n f e n, GUO Er - we i , ZHANG Ho n g- x i a n ( B e ij in g K e y L a b o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l R e t r o fi t , B e i
4、j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , B e O i n g 1 0 0 1 2 4 , C h i n a ) Abs t r ac t : I n a l a r g e a mo u n t of r e s e a r c he s a n d c u r r e n t d e s i g n c o d e s a t h ome a n d a b r o a d, p r i s ms o r c y l i nd e r s we r e us e d a s t h e s t a nd a r d s
5、p e c i me n s i n t he s t a n da r d c o mp r e s s i v e s ue n gt h t e s t s , wh i l e t h e y d i dn t c o ns i de r the c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o f r e c t an g u l a r c o nc r e t e s p e c i me n s Th e u l t i ma t e l o a d and t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth b a s
6、e d o n 1 6 g r o u p s o f r e c t a n gu l a r c o n c r e t e s p e c i me n s wi t h d i ff e r e n t s i z e s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e t e s t s wa s s t u d i e d T h e r e s u lt s s h o we d t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f r e c t a n gul a r c o n c r e
7、 t e s p e c i me n s r e d u c e s a s the l e n gth, wi d th o r h e i g h t inc r e a s i n g, and s i z e e ff e c t wa s ma t c h e d o b v i o u s l y; mo d i fi e d c o e ffic i e n t s o f t h e a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n gth we r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e s
8、 i z e e ffe c t o f r e c t a n gu l ar c on c r e t e s pe c i me n s, a n d the mo d i fie d a x i a l c o mp r e s s i v e s e n gt h an d the mo d i fi e d ul t i ma t e l oa d we r e r e l a t i v e l y c l o s e t o the e x p e rime nt a l v a l u e s K e y wo r d s : r e c t ang u l arc o n
9、c r e t e s p e c i me n; a x i a l c o mp r e s s i v e s tr e n gth; s i z e e ff e c t ; e x p e rime n t a l s t u d y 混凝 土的力学性能与结构尺寸有关 , 国内外学者对混 凝土强度尺寸效应做 了大量的研究。 1 9 3 9 年 we i b u l l 【 最先 采用概率统计理论描述混凝土强度尺寸效应现象, 即著名 的 We i b u l 1 分布 。 C a r p i n t e r i n 提 出裂纹 的多重分形理论 , 并 提 出强度尺寸效应公式 : O N
10、 = fi ( 1 + a d 曲 x d ) 1 2 0 B a z a n t p 经过多 年 的研究 , 提出基于能量释放的尺寸效应理论 , 并得到材 料名义强度尺寸效应公式 : , r = s f J ( I + D D 。 ) 。 同时也进行 了几何 相似不同尺寸的钢筋混凝土偏心受压柱 的有 限元 分析 , 结果显示微平面模型能很好的模拟尺寸效应 。 这三种 尺寸效应现象的理论被广泛应用到工程研究中。 K i m E4 1等人 采用 B a z a n t 的能量释放理论研究 了圆柱形混凝土试件抗 压强度 的尺寸效应 , 提 出关于直径变化 的抗压 强度计算公 式 = B fi 1
11、+ ( d A ) ) 也 + , 及关于高径比变化的 抗压强 度公式 :f o = B f J 1 + ( d A ) ) ( h d - # ) ) + 。 周克荣 应用分形几何方法定量描述 了不同尺 寸立方体和 棱柱体试件 的受压破坏形 态 , 得 出随尺寸增大抗压承载力 收稿 日期 :2 0 1 2 1 1 - 1 6 基金项目:国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 8 3 8 0 0 1 ) 降低的规 律。 周红 旧 通过立方体和棱柱体试验建立 了基于 We i b u l l 统计强度理论的混凝土劈裂抗拉 强度尺寸效应计 算公式 , 并讨论 了骨料粒径对尺寸效应的影响。 刘强 将
12、随 机骨料模型和双折线损伤模 型相结合 , 在细观层次上对混 凝土单轴荷载作用下的承载力尺寸效应进行了数值研究。 钢筋混凝土结构 的力学性能在构件层次上 同样存 在 着尺寸效应 。 杜修力 8 1 进行 了大尺寸钢筋混凝土柱轴心受 压性能尺寸效应的试验研究 , 结果表明对于钢筋混凝土柱的 承载力和峰值应变都存在着较明显 的尺寸效应 。 宋佳 0 1 提出针对 于不同情况 的约束混凝土强度公式 , 并进行了大 量试验研究约束混凝土轴压性能的尺寸效应 , 得 出轴心受 压 的峰值应力 随试件尺寸的增大而降低 , 峰值应变随其几 何尺寸增大而减小。 班圣龙 1 1 砸过试验分析得出相同结论 。 目前
13、 国内外对混凝土强度尺寸效应研究多集 中于方 形和圆柱形试件, 对长方柱抗压强度尺寸效应研究较少。 本 研究通过对 1 6 组不同尺寸( 长、 宽、 高) 混凝土长方体柱在 轴心受压荷载下极限承载力进行分析 , 根据极限承载力及 强度变化得出其尺寸效应修正系数, 从而为结构设计提供 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考。 1 试验设计 为进行长 方柱 的抗压强度 及尺 寸效应研 究 , 共设 计 出 4系列 , 每系列分 4 组 , 每组有 3 个尺寸相同的长方柱 , 共 4 8 个试件 。 主要考虑变化参数为截面宽度 日、 截 面长度 L及试件高度 日。 试件
14、采用 C 3 0 混凝土 , 1 5 0 mmx 1 5 0 mm 3 0 0 mm棱柱体轴心抗压强度实测值为 3 7 6 8 MP a 。 A系列 弧 A 1 A4 C1 C2 C3 C4 以 A1 为标准 , 截面长度 以 2 、 3 、 4 倍变化 , 极限荷载理论 计算值也为Al 的 2 、 3 、 4 倍增加。 B系列以 B 1 为标准, 截 面宽度 B和长度 同时以 2 、 3 、 4 倍数变化 , 极限荷载理论 计算值为 B 1 的 2 2 、 3 2 、 4 2 倍 。 C系列以 c1 为标准 , 截 面长 度 和试件高度 日同时以 2 、 3 、 4 倍数变化 , 极限荷载理
15、论 计算值为 C l 的 2 、 3 、 4 倍增加。 D系列 以 D1 为标准 , 试件 高度 日以 2 、 3 、 4 倍增加 , 极 限荷载理论计算值不变。 具体设 计尺寸如 图 1 回 图 1 试 件尺 寸 ( 单位 : mm) 2 结果与分析 2 1 总体 结果 试验在压力试验机下进行 ,采用连续缓慢轴向加载 , 直 到混凝土受压破坏。 测得的试验极限荷载及抗压强度见表 1 。 由表 1 可知 , 长方柱极限荷载试验值 , A1 : A 2 : A 3 : A 4 为 1 : 1 6 2 : 2 2 5 : 2 7 9 , 而非 理论计算 值 1 : 2 : 3 : 4 , 这里理论
16、 计算 值 为截面 面积乘 以混凝 土棱柱体 轴心抗压 强度实测 值 ; 同样 , B1 : B 2 : B 3 : B 4为 l Z : 1 8 7 : 2 4 2 : 3 1 9 , 而非理论计算值 1 2 : 2 : 3 : 4 ; C 1 :C 2 : C 3 : C 4为 1 : 1 7 9 : 2 4 9 : 2 4 3 倍 , 而非理论计算 值 1 : 2 : 3 : 4 ; D1 : D 2 : D 3 : D 4为 1 : O 9 1 : 0 8 2 : 0 8 6 ; 而非理论计算 B2 B4 值 1 : 1 : 1 : 1 。 各 系列试 件 的试 验值都 比理论计算 值
17、有所 降 低 , 说 明存 在着 尺寸效应 现象 , 即长方柱抗压强度也随尺 寸增大有减小的趋势 。 2 2 极 限荷载 与抗压 强度 分析 对试 验数据进一步分析 , 得到各 系列试件的极 限荷载 试验 值和理论计算 值与试 件尺寸 的关系 , 如图 2所示 。 由 图 2 可知 , 各系列试件混凝土极限荷载试验值均低于理论 计算值 , 且 尺寸越大降低越多。 长方柱极 限荷 载试验值 与理论计算 值的 比值及相对 差值见表 2 , 随尺寸的增大试验值 比理论计算值降低的趋势 增大 , 相对差值 随尺寸变化最小的为 D系列试件 , B和 C 系 表 1 长方柱极限荷载及抗压强度 2 m王 三
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