張麗 朱斌 張永剛

（1 南昌大學共青學院；2 蘇丹伊德里斯教育大學）

對于混凝土偏心荷載作用和多軸荷載作用已有一些研究。例如過鎮(zhèn)海[2]對混凝土偏心受壓和偏心受拉進行分析得到混凝土在該作用下的應力-應變全曲線，并研究得到其受力規(guī)律和破壞形態(tài)。王景榮[3,4]通過真三軸儀器對混凝土兩軸以及三軸受力性能展開試驗研究，得到了多軸混凝土的破壞形態(tài)并得到相應破壞準則。在實際工程中，混凝土壓-剪復合受力的研究不容忽視，如高速公路、機場道路的沖擊作用，混凝土深梁、牛腿的復雜承載作用，均存在壓-剪的復合受力狀態(tài)。對于混凝土壓-剪研究相關文獻相對較少，試驗研究方法也各不相同，不同于抗壓和抗拉均有標準試驗方法，Mattock[5]、Iosipescu[6]等相關學者通過短梁直剪和缺口梁試驗主要對混凝土純剪受力形態(tài)進行研究。張琦[7]分析得到混凝土剪切強度與抗拉強度的關系式。近些年來，F(xiàn)rench.R[8]、T.T.Bui[9]對混凝土直剪的力學特性以及拉壓狀態(tài)下的混凝土板的受剪特性進行研究。石磊[10]、宋玉普[11]分別采用楔形剪切儀和動三軸儀對混凝土壓-剪進行試驗研究。分析剪切強度與軸壓比的關系時，不同的試驗方法得到的結果差距較大，有時可達到2～3 倍。然而，對于不同軸壓比作用下的混凝土剪切破壞形態(tài)、剪切荷載-位移曲線的受力過程分析的相關內容尚未開展詳細研究，對混凝土壓-剪破壞的強度準則分析需要進一步對比分析。

本文以不同軸壓比為加載工況，采用材料壓-剪液壓伺服機進行混凝土壓-剪試驗研究。分析多種工況下剪切荷載-位移曲線各個階段的受力破壞特性，并總結不同軸壓比與兩種強度的關系，應用平面應力空間分析提出普通混凝土壓-剪復合受力的破壞準則。對實際工程應用具有一定的指導價值。

1 試驗方案

1.1 混凝土原材料和配合比

混凝土設計強度為40MPa，根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)》程(JGJ55-2011)確定混凝土配合比，普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、天然粗骨料粒徑4～16mm、細骨為河砂，粒徑≤5mm、粉煤灰和減水劑(摻量1.0%～2.0%，相應減水率為20%～30%)，配合比如表1所示。

表1 普通混凝土配合比(kg/m3)

1.2 試驗加載方案

設置八種不同的軸壓壓力分別為0MPa、1.5MPa、3MPa、4.5MPa、6MPa、7.5MPa、9MPa 和10.5MPa，試件尺寸100mm×100mm×100mm，進行壓-剪受力分析。采用材料壓-剪試驗機，如圖1 所示為普通混凝土壓-剪加載設備與加載示意。

圖1 混凝土壓-剪加載設備

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態(tài)

應用材料壓-剪試驗機，得到不同軸壓下混凝土剪切破壞形態(tài)。本文混凝土剪切破壞形態(tài)的研究主要考慮垂直剪切向混凝土剪切裂縫、平行剪切向混凝土剪切裂縫和剪切斷面破壞形態(tài)，本文選取軸壓應力分別為0MPa、4.5MPa和9MPa作為混凝土破壞形態(tài)展開研究，如圖2～圖4所示。

圖2 垂直剪切向普通混凝土剪切裂縫

如圖2 所示為不同軸壓比下普通混凝土的破壞形態(tài)，在橫向剪切荷載的作用下，在普通混凝土剪切斷面上形成剪切應力，試件發(fā)生剪切破壞，在垂直于剪切方向形成如圖2 所示，由于剪力盒間的上下錯動形成筆直的剪切線。當軸壓應力為0MPa 時，僅存在一條筆直的剪切斷裂縫，當軸壓應力為4.5MPa和9MPa時，試件該表面不僅存在一條筆直的剪切裂縫，同時在軸向加載向形成一條相對微小的裂縫，該裂縫主要是由于較高軸壓荷載作用和剪切荷載耦合作用而形成，如圖2(b)～(c)。

推動機械化高效生產(chǎn)。采用綜合技術和現(xiàn)代設備相結合的方式，積極采購竹材、竹筍等采伐(掘)專業(yè)設備，對環(huán)境友好的竹產(chǎn)品、竹制加工品等的相關生產(chǎn)流程給予經(jīng)濟補助。

在平行于剪切方向的混凝土側向形成較為不規(guī)則的破壞斷裂線，原因為混凝土在受剪切荷載作用下，裂縫首先在兩個剪力盒接觸面位置出現(xiàn)，產(chǎn)生了原始截面裂縫。隨著橫向荷載的逐步增大，裂縫開始延伸，其發(fā)展將沿著水泥漿與骨料界面最薄弱的位置，在水泥砂漿裂縫的頂端出現(xiàn)應力集中。由于混凝土是一種非均質復合材料，該薄弱位置未必完全在剪切面呈現(xiàn)一條筆直的直線，薄弱位置可能在剪切面上下浮動，最終混凝土剪切裂縫的發(fā)展沿薄弱位置發(fā)展，平行于混凝土剪切方向產(chǎn)生該破壞形態(tài)，如圖3 所示。軸壓力較低時，是一條較為波動的剪切裂縫，當軸壓力較高時，不僅出現(xiàn)一條較為波動的剪切裂縫，同時伴隨一定量的混凝土試塊剝落，軸壓力越高脫落的混凝土塊越大，同時形成一定斜向裂縫。

圖3 平行剪切向普通混凝土剪切裂縫

對于混凝土剪切斷面，如圖4 所示，隨著軸壓力的提高，剪切破壞斷面摩擦痕跡越發(fā)明顯，同時所形成的混凝土碎渣也逐步增多。隨著軸壓比的提高，試件剪切破壞斷面相互摩擦作用逐步提高，最終導致剪切破壞斷面摩擦痕跡變得明顯。

圖4 混凝土剪切斷面破壞形態(tài)

2.2 剪切應力-應變曲線

根據(jù)本文普通混凝土壓-剪試驗加載方案，得到不同加載工況普通混凝土剪切應力-應變曲線，如圖5。

圖5 普通混凝土剪切應力-應變曲線

普通混凝土橫向剪切荷載-位移曲線發(fā)展趨勢分為荷載上升階段、荷載下降階段和荷載相對穩(wěn)定三個階段，如圖5 所示。第一階段隨著剪切位移的提高，混凝土剪切應力基本呈線性上升變化規(guī)律。第二階段隨著剪切位移的提高，混凝土剪切應力迅速下降。第三階段隨著剪切位移的提高，混凝土剪切應力呈現(xiàn)基本穩(wěn)定的階段，剪切應力相對變化較小。其中第三階段橫向荷載主要是由于剪切破壞斷面相互作用形成的摩擦作用所提供的反力作用，稱該階段為殘余應力，當軸壓應力為0 時，殘余應力為0，隨著軸壓比的提高，剪切破壞斷面殘余應力逐步提高。在軸向荷載的作用，混凝土試件骨料界面之間的機械咬合力得到有效的提高，從而使得橫向剪切荷載隨著軸壓比的增大而增大。

2.3 剪切特征值

為進一步探究普通混凝土壓-剪復合作用，根據(jù)普通混凝土橫向剪切應力-位移曲線，提取剪切應力，分析軸壓作用對普通混凝土剪切荷載的作用影響。

2.3.1剪切應力

根據(jù)圖5 普通混凝土剪切應力-應變曲線，提取如圖6所示軸壓應力與剪切應力關系和圖7軸壓比與剪切系數(shù)(即剪切應力與軸壓比為零時剪切應力比值)關系。

圖6 混凝土軸壓應力與剪切應力關系

圖7 混凝土軸壓比與剪切系數(shù)關系

根據(jù)圖6～7 分析，隨著軸向應力的提高，普通混凝土剪切應力逐步提高。當軸壓應力為0MPa(軸壓比0)時，普通混凝土剪切應力為8.64MPa，當軸壓應力為10.5MPa(軸壓比0.33)時，普通混凝土剪切應力為22.78MPa，同比提高了2.64 倍。壓力的存在，增大骨料的咬合力，因此隨著軸壓應力的提高，混凝土剪切應力明顯逐步增大。

基于莫爾-庫倫準則表達形式進行修改，對普通混凝土進行數(shù)學回歸分析，得到如圖6 所示，莫爾-庫倫準則方程能較好的描述混凝土壓-剪復合受力破壞規(guī)律?？紤]將混凝土剪應力和軸向壓應力進行無量綱化處理，提出如公式⑶所示混凝土壓-剪復合受力σ/fc-τ/τ0關系式。

根據(jù)普通混凝土壓-剪作用軸壓應力和剪切應力定性分析關系，提出如公式⑴所示普通混凝土壓應力與剪應力關系。

式中，τ為混凝土剪切應力，τ0為混凝土軸壓應力為0 時混凝土剪切應力，σ為混凝土壓應力，fc為混凝土單軸受壓應力，本文普通混凝土受壓峰值應力為32MPa。

由本文普通混凝土八種不同軸壓應力作用下剪切應力，應用公式⑴進行數(shù)學回歸分析，得到如公式⑵所示表達形式。

根據(jù)圖7 和公式⑵分析，所提出的公式⑴能較好的描述混凝土壓-剪復合受力破壞規(guī)律。

2.3.2 剪切變形

根據(jù)本文普通混凝土不同軸壓比下剪切應力-位移曲線，提取對應的位移值分析普通混凝土壓-剪復合作用下的位移變化關系，如圖8～9所示。

圖9 混凝土軸壓比與殘余應力系數(shù)關系

根據(jù)圖8～9 分析，隨著軸壓應力的提高，普通混凝土剪切破壞位移值逐步提高，當軸壓應力為0MPa 時，混凝土剪切破壞位移為1.53mm，當軸壓應力為10.5MPa時，混凝土剪切破壞位移為3.41mm，相比于軸壓應力0MPa工況提高了2.24倍。說明軸壓作用使得混凝土剪切變形能力有明顯的提高。

3 破壞模型與機理分析

混凝土受到壓-剪復合作用時，其壓應力σ和剪應力τ可通過如公式⑶～⑸轉化為第一主應力σ1、第二主應力σ2和第三主應力σ3[6、9]。

根據(jù)公式⑶～⑸，用試驗數(shù)據(jù)計算空間主應力，得到如圖10 所示混凝土壓-剪復合作用下主應力空間破壞準則。

圖10 混凝土壓-剪復合作用下主應力空間破壞準則

由圖10 分析，普通混凝土第一主應力無量化處理系數(shù)與第三主應力無量綱化處理系數(shù)呈線性變化關系。由此提出如公式⑹所示普通混凝土壓-剪復合受力主應力空間統(tǒng)一破壞準則方程。

由本文普通混凝土壓-剪復合受力第一主應力和第三主應力試驗研究數(shù)據(jù)進行數(shù)學回歸分析，得到如圖10和公式⑺所示主應力空間破壞準則圖示與方程。

由圖10 和公式⑺分析，基于公式⑹主應力空間提出的破壞準則方程即能較好的描述普通輕骨料混凝土破壞規(guī)律。

4 結論

本文主要對普通混凝土壓-剪復合受力狀態(tài)進行試驗研究與理論分析，通過試驗得到不同工況下的破壞形式和剪切荷載-位移全曲線，根據(jù)試驗結果分析其力學特性以及剪切荷載-位移全曲線發(fā)展趨勢，同時由平面應力空間分析提出普通混凝土壓-剪復合受力形態(tài)的破壞準則。根據(jù)本文研究主要得到以下結論：

⑴普通混凝土壓-剪受力試驗中發(fā)現(xiàn)，剪切破壞面主要是水泥膠凝層的破壞。剪切破壞面的摩擦痕跡、混凝土碎渣與軸壓力成正比。

⑵隨著軸壓比的增加，普通混凝土剪切峰值強度、剪切峰值強度對應的位移和殘余強度也逐步增加。根據(jù)數(shù)學回歸分析，軸壓比與剪切峰值強度、殘余強度基本均呈線性變化形式。

⑶運用平面應力空間分析，對普通混凝土壓-剪復合受力形態(tài)進行預測，提出的強度準則曲線與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，能夠很好的描述普通混凝土在壓-剪復合受力狀態(tài)下的破壞強度。