單軸受壓應力-應變曲線試驗技術綜述

郭 雷

（中鐵十八局集團有限公司第四工程有限公司 天津 300222）

單軸受壓應力-應變曲線試驗技術綜述

郭 雷

（中鐵十八局集團有限公司第四工程有限公司 天津 300222）

隨著試驗技術和計算技術的進步，大型復雜的混凝土結構對非線性分析提出更高的要求。由于混凝土受力具有與應力路徑相關的特點，完整的非線性混凝土三維應力-應變關系很難完整依靠試驗來得到。實際上，在混凝土的各種本構模型中，我們能夠全面獲取試驗數據的也只有相對最簡單的混凝土單軸受壓試驗。受壓混凝土達到峰值應力時沒有完全破壞，下降段上的殘余承載力還有一定的利用價值。此外，進入下降段的受壓混凝土，仍然具有消耗能量的能力。

混凝土本構關系 應力-應變曲線 單軸受壓 應變能 剛性試驗機電液伺服試驗機

1 前言

鋼筋混凝土結構是由兩種性能差異巨大的材料組合而成，混凝土本質上又是一種非線性、非均勻工程材料，盡管結構理論和計算手段有了明顯改善，結構試驗仍然是混凝土結構設計理論和方法的一個主要支柱。21世紀以來，美國、中國、日本和歐洲國際在大型結構試驗設備方面加大投入，結構試驗的水平和能力不斷提升。在結構設計理論的發展進程中，結構試驗始終是第一位的。準確有效的試驗模擬方法，新的試驗現象和可靠的試驗數據是推動混凝土結構理論不斷發展的動力。混凝土結構工程科學本身就具備典型的實驗科學的特點，結構試驗是結構工程師認識混凝土結構性能的主要手段之一。

2 混凝土單軸受壓狀態下的應力-應變全曲線

我國采用棱柱體試件來測定一次短期加載下混凝土受壓應力-應變全曲線。全曲線分為上升段和下降段兩個部分。上升段分為彈性變形階段，裂縫穩定擴展階段和裂縫快速發展階段。應力-應變曲線越過峰值點后進入下降段，此時在棱柱體試件的表面出現肉眼可見的裂縫，這類宏觀裂縫表明試件已經解體，出現裂縫部位的混凝土已經不再具有完整的棱柱體形狀。

從混凝土受壓棱柱體的破壞形態來看，在混凝土的壓應力達到峰值點的過程中，混凝土內部的微裂縫逐漸擴展延伸，假設壓應力達到峰值點時，縱向裂縫將混凝土棱柱分割成若干個微小的柱體，由于材料的不均勻特性，繼續增加荷載時，這些微小的柱體相繼失穩破壞，導致棱柱體試件的承載力逐漸下降，由此形成應力-應變曲線的下降段。這種機理也稱為混凝土破壞的微柱模型。這些微柱強度分布具有隨機性，它們依據其強度相繼破壞，因此棱柱體的變形增加，而承載力逐漸下降，因此形成下降段。受壓混凝土達到峰值應力時沒有完全破壞，下降段上的殘余承載力還有一定的利用價值。此外，進入下降段的受壓混凝土,仍然具有消耗能量的能力。

由于壓應力達到時，試驗機內積蓄的應變能會使試驗機頭沖擊試件，使得試件破壞，因此在普通試驗機上火的有下降段的應力-應變曲線是比較困難的。若采用有伺服裝置能控制下降段應變速度的特殊試驗機，或者在試件旁附加各種彈性元件協調受壓，防止試驗機頭會談的沖擊引起試件突然破壞，并以等應變加載，就可以測量出具有真實下降段的應力-應變全曲線。

3 混凝土本構關系與單軸受壓試驗

混凝土時一種非均勻，非連續的人工混合材料。通常意義上的混凝土力學性能指混凝土的強度和變形性能，而所謂的本構關系，則強調混凝土的應力—應變關系。一般而言，混凝土的本構關系沒有直接反應在混凝土結構設計過程中。但隨著試驗技術和計算技術的進步，大型復雜的混凝土結構對非線性分析提出更高的要求，采用基于有限單元法的非線性分析已經變得十分必要。由于混凝土受力具有與應力路徑相關的特點，以及獲取試驗數據困難，完整的非線性混凝土三維應力-應變關系很難完整依靠試驗來得到。盡管學者們提出了一些三維混凝土本構模型，但這些模型大多采用力學意義上的彈塑性模型，再輔以有限元的混凝土試驗數據，通過引入等效應力和等效應變的概念，采用單軸受力的混凝土應力-應變關系作為多軸受力的混凝土非線性應力-應變關系。因此，在混凝土的各種本構模型中，最重要的是單軸受壓的應力-應變關系。實際上，我們能夠全面獲取試驗數據的也只有相對最簡單的混凝土單軸受壓試驗。

4 應力-應變全曲線試驗技術

試驗結果表明，受壓混凝土的應力達到峰值點后，下降段性能與試驗機的剛度有很密切的關系。在普通試驗機上突然破壞為特征的脆性破壞，在剛性試驗機上可以避免。利用電液伺服試驗機和剛性試驗機技術可以得到混凝土應力-應變曲線的下降段。

4.1 剛性試驗機試驗技術

剛性試驗機是得到混凝土應力-應變全曲線的基本設備。在混凝土力學性能試驗研究早期階段，普通液壓試驗機上的試驗結果表明，混凝土為完全脆性材料，達到最大荷載厚混凝土即告破壞，無法得到混凝土受壓完整的下降段。后來研究人員發現混凝土的脆性破壞與試驗機的剛度有關，在剛度足夠大的試驗機上，受壓混凝土的應力-應變曲線達到峰值點后還會展示出下降段。

試驗機系統可以看做一個彈性系統，在對試件施加壓力過程中。試驗機系統可以看做一個彈性形態，在對試件施加壓力的過程中，試驗機本身產生彈性變形。這種彈性變形主要由試驗機鋼架的變形和液壓油缸中壓力油的壓縮變形組成。受壓混凝土試件達到最大荷載和不會立刻破壞，而是表現為承載力下降。注意到受壓混凝土試件和試驗機系統之間的作用力與反作用力的關系，試件的承載力下降意味著試驗機積蓄的變形能開始釋放。如果試驗機釋放的變形能得到控制，可以得到穩定的承載能力下降段過程。 否則，混凝土試件在試驗機釋放的變形能沖擊下，表現為脆性的突然破壞。

4.2 剛性輔助元件

采用剛性輔助元件，改變試驗機-試件系統的力學特性，使剛性輔助元件與試件同時承受壓力，而剛性輔助元件-試件系統的性能曲線不出現下降段。這是目前在普通試驗機上得到混凝土應力-應變全曲線的最常用的方法。

4.3 電液伺服試驗機技術

伺服系統是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。在電液伺服壓力試驗機中，伺服控制系統用來控制加載油缸的活塞運動位置和運動速度。

采用電液伺服試驗機進行混凝土受壓試驗時，當混凝土的壓應力越過峰值點進入下降段后，試驗機儲存的應變能開始釋放，安裝在試驗機上、下板之間的位移傳感器不斷將上、下壓板間的相對位置變化量傳送到計算機，計算機經過運算后對電液伺服閥發出指令，控制上、下壓板之間的相對位置變化，從而得到穩定的下降段曲線。

試驗控制的原理可以這樣理解：混凝土的受力進入下降段后，試驗機立柱和加載油缸所受荷載減小，加載時伸出的立柱開始回縮，試驗機儲存的應變能開始釋放，帶動上壓板加速向下運動，這時位移傳感器檢測到這個運動趨勢，控制系統立刻指令電液伺服閥調節加載油缸活塞的位置運動，使試驗機上、下壓板之間距離得到控制。

應該指出，盡管電液伺服系統采用了先進的反饋控制技術，理論上可以根據混凝土的應變或試件的位移來控制試驗進程，但對于下降段曲線非常陡峭的高強度混凝土或巖石，當電液伺服試驗機不具有足夠快的反饋控制速度時，還是可能會出現系統控制滯后的線性。

5 除試驗機外影響應力-應變關系的其他因素

除試驗機的剛度外，還有一些因素影響混凝土的應力-應變關系。

5.1 邊界條件的影響

混凝土立方體抗壓強度和混凝土棱柱體抗壓強度的差異，來源于混凝土受力狀態的不同。混凝土立方體受壓時，其端部與試驗機壓板之間存在摩擦。這種摩擦力限制了混凝土在水平方向的變形，也就限制了內部微裂縫的擴展，因而強度得意提高。混凝土棱柱體受壓時，其端部區域也受到了摩擦力產生的約束作用，但發生破壞的混凝土棱柱體中部基本上不收端部摩擦力影響，因此抗壓強度低于混凝土立方體抗壓強度。在剛性試驗機廣泛使用前，人們就已經知道了混凝土受壓試件端部條件對其抗壓強度的影響。試驗表明，試件端部條件對受壓混凝土應力-應變曲線也有較大的影響。

5.2 應變測量技術

常規的方法是利用位移傳感器測量試驗機上下壓板之間的距離變化，得到整個試件高度范圍內的混凝土平均應變。或之間在混凝土表面粘貼電阻應變片，測量應變計標距范圍內的平均應變。兩種方法測量的受壓混凝土應力-應變曲線上升段基本相同，但下降段差別較大。一般采用整個試件高度范圍內平均應變所得的曲線具有更加平緩的下降段。說明混凝土受壓進入下降段后，其損傷具有明顯的局部化特點。采用電阻應變計測量混凝土表面的應變所遭遇的困難主要在于隨著混凝土的損傷加劇，混凝土的裂縫導致電阻應變計失效。

5.3 尺寸效應的影響

混凝土的配合比、制作工藝、養護條件、試件形狀和試驗方法都相同，但試件的尺寸不同，得到不同的強度試驗結果，這就是混凝土強度的尺寸效應。尺寸效應本身與混凝土應力-應變曲線測量技術沒有直接關系，但混凝土的尺寸效應對其力學性能有明顯的影響。

5.4 加載速率的影響

從混凝土的徐變特性可以知道，混凝土的力學性能與時間因素有關。在很低的加載速率條件下，混凝土的抗壓強度很低。隨著加載速率的提高，混凝土的強度隨之提高。

在鋼筋混凝土結構中，理想的混凝土單軸均勻應力狀態并不常見。結構中的混凝土一般處在多軸應力狀態下（雙向應力狀態、三向應力狀態）。特別是梁的受剪，板的沖切，局部荷載作用如預應力筋的錨固區，梁柱節點等結構構件的設計方法與混凝土在復雜應力狀態下的性能密切相關。

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Review on Experimental Techniques of Stress-strain Curve of Uniaxial Compression

GUO Lei
(No.4 Engineering Corporation Limited of China Railway 18th Bureau Group Co. Ltd Tianjin 300222 China)

With the development of experimental techniques and computer technology, the large scale and complex concrete structure has a higher request for the nonlinear analysis. Because the stress on concrete correlates with the stress path, it is not easy to get a complete nonlinear concrete three-dimension stress-strain relationship through experiments. Actually, among various models of constitutive relationship of concrete, the experiment from which we can completely achieve experimental data is the simplest concrete uniaxial compression one. The pressed concrete will not be broken when the stress reaches its peak value, and the remaining bearing capacity in the descending stage is still worthy of being made use of. Furthermore, the pressed concrete in the descending stage still has the capacity to consume energy.

constitutive relationship of concrete stress-strain curve uniaxial compression strain energy stiff testing machine electro-hydraulic servo testing machine

中國分類號：U412.34A

1673-1816(2016)02-0068-04

2015-11-13

郭雷（1982-），漢，山西芮城人，碩士，高工，研究方向建筑工程。