1、清 华 大 学 学 术 专 著混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系过 镇 海 著清 华 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 简 介本 书 是 作 者 与 其 合 作 者 , 以 及 他 们 所 指 导 的 研 究 生 们 多 年 来 在 混 凝 土 强 度 和 变 形 方 面 的 试 验 和 理 论 研 究 成 果 的 汇 集 和 总 结 。全书 分 作 上 、 下两 篇 , 共 16 章 。 主 要 内 容 在 上 篇 有 : 混 凝 土 力 学 性 能 的 基 本 特 点 , 单 轴 受 压 、 受 拉 和 剪 切 作 用 下 的
2、强 度 和 变 形 规 律 , 不 同 强 度 等 级 、 应 变 ( 力 ) 梯 度、 重 复 加 卸 载 等 情 况 下 的 性 能 ; 下 篇 有 : 混 凝 土 的 多 轴 试 验 技 术 , 多 轴 强 度 和 变 形 的 一 般 规 律 , 破 坏 形 态和 机 理 、 破 坏 包 络 面 和 准 则 表 达 式 , 非 线 弹 性 本 构 模 型 , 以 及 非 单 调 比 例 加 载 时 的 性 能 等 。本 书 着 重 总 结 有 关 试 验 研 究 结 果 , 分 析 混 凝 土 受 力 性 能 的 机 理 和 一 般 规 律 , 最 终 表 达 为 适 当 的 本 构 模
3、 型 , 以 便 在 理 论 分 析 和 处 理 实 际 工 程 问 题 中 应 用 。 可 供 高 等 院 校 有 关 专 业 的 师 生 , 以 及 从 事 结 构 工 程 的 科 研、 设 计 和 施 工 作 的 技 术 人 员 使 用 。图 书 在 版 编 目 ( CI P) 数 据混 凝 土 的 强 度 和 变 形 : 试 验 基 础 和 本 构 关 系 / 过 镇 海 著 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 1997I SBN 7-302-02609-2 . 混 . 过 . 混 凝 土 -强 度 试 验 混 凝 土 -变 形 试 验 混 凝 土 -本 构 关 系 - 研
4、 究 .T U 528.0中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 97) 第 15163 号出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 校 内 , 邮 编 100084)印 刷 者 : 人 民 文 学 印 刷 厂发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 科 技 发 行 所开 本 : 787 1092 1/ 16 印 张 : 15.25 字 数 : 359 千 字版 次 : 1997 年 12 月 第 1 版 1997 年 12 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-02609-2/ T U 126印 数 : 0001 2000
5、定 价 : 24.00 元前 言在 我 国 和 世 界 各 国 的 结 构 工 程 中 , 用 得 最 多 、 最 广 泛 的 是 钢 筋 混 凝 土 结 构 。 它 们 在 建 造 和 使 用 过 程 中 的 安 全 性 、 技 术 合 理 性 和 经 济 性 显 然 有 着 重 要 的 社 会 和 经 济 意 义 。 为 此 , 各 国 研 究 人 员 对 结 构 的 体 系 和 方 案 、 材 料 和 结 构 ( 构 件 ) 的 受 力 性 能 、 构 造 和 计 算 方 法 、 安 全 度 和 耐 久 性 分 析 等 方 面 进 行 了 大 量 的 试 验 和 理 论 研 究 , 取
6、得 的 成 果 已 在 工 程 实 践 中 发挥 了 很 大 的 积 极 作 用 。钢 筋 混 凝 土 结 构 材 料 的 主 体 是 混 凝 土 , 结 构 和 构 件 的 各 种 受 力 反 应 和 安 全 性 主 要 取决 于 混 凝 土 的 力 学 性 能 。 为 了 合 理 地 和 准 确 地 分 析 或 设 计 钢 筋 混 凝 土 结 构 , 必 须 全 面 地 了 解 和 掌 握 混 凝 土 在 各 种 应 力 状 态 下 的 强 度 和 变 形 规 律 。本 书 介 绍 混 凝 土 在 各 种 受 力 状 态 下 的 强 度 和 变 形 的 试 验 方 法 、 主 要 试 验
7、结 果 和 性 能 变 化 规 律 、 受 力 变 形 的 机 理 和 破 坏 特 征 , 最 终 表 达 为 相 应 的 破 坏 ( 强 度 ) 准 则 和 本 构 模 型 , 以 供 结 构 分 析 和 设 计 中 应 用 。本 书 的 主 要 内 容 是 作 者 和 合 作 者 王 传 志 教 授 、 张 秀 琴 副 教 授 等 , 以 及 所 指 导 的 研 究 生 们 , 十 余 年 来 在 清 华 大 学 工 程 结 构 试 验 室 进 行 的 有 关 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 和 理 论 研 究的 总 汇 ; 已 经 在 清 华 大 学 的 研 究 生 课 程 “混 凝
8、 土 的 破 坏 准 则 和 本 构 关 系 ”和 “钢 筋 混 凝 土 原 理 ”中 讲 授 多 年 。全 书 分 上 、 下 两 篇 。 上 篇 论 述 混 凝 土 在 基 本 受 力 状 态 下 的 强 度 和 变 形 。 在 概 括 混 凝 土 材 料 性 质 和 构 造 特 点 的 基 础 上 , 详 细 地 介 绍 了 最 基 本 受 力 状 态 单 轴 受 压 下 混 凝 土 的强 度 和 变 形 规 律 , 进 而 讨 论 工 程 中 最 常 遇 到 的 情 况 : 不 同 强 度 等 级 和 多 种 混 凝 土 的 性 能 、 重 复 荷 载 作 用 和 偏 心 受 压 作
9、用 下 的 性 能 ; 还 给 出 至 今 试 验 研 究 较 少 的 混 凝 土 在 单 轴 受 拉和 剪 应 力 作 用 下 的 强 度 和 变 形 规 律 。下 篇 论 述 混 凝 土 在 多 轴 应 力 作 用 下 的 强 度 和 变 形 。 首 先 介 绍 试 验 技 术 复 杂 、 且 对 试 验 结 果 有 较 大 影 响 的 混 凝 土 三 轴 加 载 设 备 和 试 验 方 法 。 在 分 析 了 混 凝 土 多 轴 强 度 和 变 形 的 一 般 规 律 和 典 型 破 坏 形 态 后 , 根 据 破 坏 包 络 曲 面 的 几 何 特 征 , 提 出 了 混 凝 土 的
10、破 坏 准 则 和 多 轴 强 度 设 计 值 的 简 化 计 算 式 。 还 对 现 有 的 多 种 混 凝 土 破 坏 准 则 和 本 构 模 型 进 行 分 类 、 比 较 和 评 述 。 在 混 凝 土 的 各 类 本 构 模 型 中 , 其 原 理 和 计 算 方 法 差 别 很 大 , 本 书 介 绍 的 非 线 弹 性 类 模 型 比 较 简 明 、 实 用 。 最 后 , 通 过 几 组 试 验 实 例 对 不 同 应 力 途 径 下 的 混 凝 土 多 轴 强 度 和 变 形 规 律 加 以 讨 论 , 引 出 一 些 重 要 的 认 识 。本 书 撰 写 时 遵 循 下 述
11、 原 则 :立 足 于 试 验 基 础 由 于 混 凝 土 材 料 的 组 成 和 性 质 都 很 复 杂 , 其 力 学 性 能 的 特 点 和一 般 规 律 , 只 能 通 过 精 细 的 试 验 来 揭 示 , 通 过 机 理 分 析 和 试 验 数 据 处 理 , 总 结 为 理 性 认 识 ,曾 参 加 有 关 试 验 和 理 论 研 究 的 硕 士 生 有 : 杜 育 科 、 李 永 录 、 张 琦 、 曲 俊 义 、 郑 汝 玫 、 叶 献 国 、 李 伟 政 、 王 敬 忠 、 徐 焱 等 , 博 士 生 有 揽 生 瑞 、 周 云 龙 和 郭 玉 涛 。 书 中 也 引 用
12、了 其 他 硕 士 生 ( 许 锦 峰 和 胡 海 涛 等 ) 的 部 分 论 文 内 容 。 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系并 用 数 学 方 法 予 以 描 述 。 最 后 还 要 有 实 验 或 工 程 实 践 加 以 验 证 。宏 观 的 破 坏 准 则 和 本 构 关 系 由 于 混 凝 土 的 微 观 构 造 是 多 相 的 随 机 分 布 , 且 影 响因 素 多 而 变 化 大 , 进 行 准 确 的 微 观 定 量 分 析 极 为 困 难 。 从 服 务 于 结 构 工 程 的 目 的 出 发 , 至 今 还 不 够 成 熟 。 本 书
13、 所 给 的 混 凝 土 各 种 强 度 和 变 形 指 标 都 是 指 一 定 尺 度 范 围 ( 约 70mm , 或 3 4 倍 粗 骨 料 直 径 ) 内 的 平 均 值 , 在 结 构 工 程 的 分 析 和 设 计 中 应 用 , 精 确 度 足够 。实 际 的 强 度 和 变 形 值 书 中 给 出 的 试 验 结 果 和 计 算 公 式 的 理 论 值 , 都 是 指 混 凝 土力 学 性 能 的 实 际 值 或 试 验 平 均 值 , 可 直 接 用 以 验 算 构 件 的 实 际 承 载 力 和 变 形 等 。 若 用 于 结 构 工 程 的 设 计 , 必 须 按 照 有
14、 关 规 范 的 统 一 要 求 进 行 可 靠 度 分 析 , 给 以 必 要 的 折 减 , 成 为 相应 的 强 度 和 变 形 的 标 准 值 或 设 计 值 。本 书 期 望 的 作 用 是 :为 分 析 结 构 的 性 能 反 应 , 包 括 变 形 、 裂 缝 、 承 载 力 、 破 坏 形 态 和 工 程 事 故 等 , 提 供 混 凝 土 材 性 的 机 理 和 验 算 所 需 的 力 学 性 能 指 标 ;为 结 构 的 非 线 性 全 过 程 分 析 和 多 维 有 限 元 分 析 提 供 比 较 实 用 、 准 确 的 混 凝 土 破 坏 准 则 和 本 构 关 系 ;
15、为 改 进 结 构 和 构 件 的 计 算 方 法 , 以 及 设 计 特 殊 的 或 复 杂 的 结 构 , 提 供 混 凝 土 的 材 性 数据 ;对 于 从 事 结 构 工 程 学 科 和 相 近 学 科 教 学 工 作 的 教 师 和 研 究 生 、 本 科 生 , 可 作 为 钢 筋 混凝 土 结 构 类 课 程 的 参 考 教 材 。本 书 问 世 之 时 , 作 者 谨 向 下 列 人 员 与 单 位 致 以 衷 心 的 谢 意 :曾 经 共 同 努 力 进 行 和 完 成 各 项 试 验 和 理 论 研 究 任 务 的 同 事 们 、 研 究 生 们 , 以 及 试 验 技 术
16、 人 员 和 工 人 们 ;为 有 关 科 研 项 目 提 供 经 费 资 助 的 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 和 国 家 教 育 委 员 会 博 士 点 资 金 组 织 ;为 本 书 的 出 版 提 供 资 助 、 审 校 和 编 辑 工 作 的 有 关 组 织 和 人 员 。由 于 混 凝 土 材 料 性 能 的 复 杂 多 变 , 而 我 们 试 验 研 究 的 范 围 、 内 容 和 方 法 总 有 一 定 局 限 性 , 更 限 于 作 者 的 认 识 水 平 和 分 析 能 力 , 书 中 有 不 足 、 甚 至 谬 误 之 处 , 敬 请 读 者 批 评 、 指
17、正 。过 镇 海1996 年 3 月目 录前 言 概 述 上 篇 基 本 强 度 和 变 形1 混 凝 土 材 料 的 特 点 41.1 非 匀 质 、 非 等 向 的 多 相 混 合 材 料 41.2 复 杂 的 微 观 内 应 力 ( 变 形 ) 状 态 61.3 变 形 的 多 元 组 成 71.4 应 力 状 态 和 途 径 对 力 学 性 能 的 巨 大 影 响 81.5 时 间 和 环 境 条 件 对 力 学 性 能 的 影 响 82 中 心 抗 压 强 度 102.1 立 方 体 和 棱 柱 体 抗 压 强 度 102.1.1 立 方 体 抗 压 强 度 ( f cu ) 102
18、.1.2 棱 柱 体 抗 压 强 度 ( f pr ) 122.2 受 力 变 形 和 破 坏 过 程 132.3 主 要 因 素 的 影 响 152.3.1 强 度 等 级 ( f cu ) 的 影 响 172.3.2 水 灰 比 和 水 泥 用 量 的 影 响 172.3.3 粗 骨 料 的 影 响 202.3.4 应 变 速 度 的 影 响 212.3.5 试 件 高 度 的 影 响 213 受 压 应 力 -应 变 全 曲 线 223.1 试 验 方 法 223.1.1 实 现 稳 定 下 降 段 曲 线 的 条 件 223.1.2 两 类 试 验 方 法 243.1.3 液 压 千
19、斤 顶 作 为 刚 性 元 件 的 试 验 方 法 253.1.4 试 件 应 变 速 度 分 析 283.2 受 压 全 曲 线 方 程 313.2.1 全 曲 线 的 几 何 特 点 313.2.2 分 段 的 曲 线 方 程 313.2.3 参 数 值 33 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系3.2.4 泊 松 比 353.3 受 压 曲 线 方 程 的 比 较 和 分 析 364 不 同 混 凝 土 的 受 压 404.1 高 强 混 凝 土 的 受 压 404.2 轻 骨 料 混 凝 土 的 受 压 444.3 加 气 混 凝 土 的 受 压 45
20、5 重 复 荷 载 作 用 505.1 试 验 的 重 复 荷 载 过 程 505.2 强 度 和 变 形 性 能 的 比 较 525.3 包 络 线 和 共 同 点 、 稳 定 点 的 轨 迹 线 545.3.1 包 络 线 ( E V ) 545.3.2 共 同 点 轨 迹 线 ( CM ) 565.3.3 稳 定 点 轨 迹 线 ( ST ) 565.4 卸 载 和 再 加 载 曲 线 的 形 状 及 其 计 算 式 575.4.1 曲 线 的 一 般 形 状 及 其 机 理 575.4.2 卸 载 曲 线 585.4.3 再 加 载 曲 线 596 偏 心 受 压 636.1 试 验
21、方 法 和 一 般 受 力 规 律 636.1.1 试 验 方 法 636.1.2 一 般 受 力 规 律 646.2 计 算 偏 心 受 压 应 力 -应 变 全 曲 线 的 方 法 676.2.1 增 量 方 程 计 算 686.2.2 给 定 方 程 , 拟 合 参 数 696.3 偏 心 受 压 应 力 -应 变 全 曲 线 方 程 707 受 拉 727.1 试 验 方 法 和 主 要 结 果 727.1.1 受 拉 全 曲 线 的 试 验 方 法 727.1.2 主 要 试 验 结 果 747.2 受 拉 破 坏 过 程 和 应 力 -应 变 全 曲 线 797.2.1 典 型 曲
22、 线 和 受 力 过 程 797.2.2 破 坏 特 征 与 受 压 破 坏 的 区 别 827.2.3 受 拉 全 曲 线 方 程 837.3 偏 心 受 拉 8510.1.1 二 轴 压 / 压 12510.1.2 二 轴 拉 / 压 12710.1.3 二 轴 拉 / 拉 127三 轴 应 力 状 态 12910.2.1 常 规 三 轴 受 压 12910.2.2 真 三 轴 受 压 13110.2.3 三 轴 拉 / 压 13410.2.4 三 轴 受 拉 137目 录 7.3.1 主 要 试 验 结 果 857.3.2 偏 心 受 拉 应 力 -应 变 全 曲 线 及 其 方 程 9
23、08 剪 切 938.1 合 理 的 试 验 方 法 938.1.1 已 有 试 验 方 法 的 分 析 938.1.2 等 高 梁 四 点 受 力 试 验 968.2 抗 剪 强 度 998.2.1 变 形 和 破 坏 过 程 998.2.2 抗 剪 强 度 分 析 1018.3 剪 应 力 -应 变 曲 线 和 剪 切 模 量 1028.3.1 剪 应 力 -应 变 曲 线 和 峰 值 剪 应 变 1028.3.2 受 剪 曲 线 方 程 和 剪 切 模 量 104下 篇 多 轴 强 度 和 本 构 关 系9 多 轴 试 验 的 设 备 和 技 术 1119.1 真 三 轴 试 验 设 备
24、 1119.1.1 常 规 三 轴 试 验 1119.1.2 真 三 轴 试 验 1129.2 试 验 技 术 措 施 1169.2.1 优 化 承 力 系 统 的 构 造 1179.2.2 试 件 居 中 1179.2.3 施 加 拉 力 1179.2.4 消 减 试 件 表 面 摩 擦 1189.2.5 量 测 应 力 和 应 变 1199.2.6 控 制 应 力 ( 变 ) 试 验 途 径 1219.2.7 标 定 单 轴 压 、 拉 强 度 12110 多 轴 强 度 和 变 形 的 一 般 规 律 12310.1 二 轴 应 力 状 态 12510.2 混 凝 土 的 强 度 和 变
25、 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系10.3 不 同 种 类 和 强 度 等 级 的 混 凝 土 13710.3.1 不 同 强 度 等 级 的 混 凝 土 13710.3.2 加 气 混 凝 土 14011 破 坏 机 理 和 形 态 14211.1 典 型 破 坏 形 态 14211.1.1 拉 断 14211.1.2 柱 状 压 坏 14311.1.3 片 状 劈 裂 14411.1.4 斜 剪 破 坏 14511.1.5 挤 压 流 动 14611.1.6 两 种 基 本 破 坏 形 态 14711.2 不 同 破 坏 形 态 的 应 力 范 围 14712 破 坏 准 则 150
26、12.1 破 坏 包 络 面 的 特 点 和 表 达 15012.2 五 参 数 幂 函 数 准 则 15512.2.1 基 本 公 式 15512.2.2 参 数 值 的 确 定 15512.2.3 与 试 验 结 果 的 比 较 15812.3 多 轴 强 度 设 计 值 16212.3.1 按 准 则 式 的 计 算 方 法 16212.3.2 三 轴 抗 压 强 度 16312.3.3 三 轴 拉 / 压 和 抗 拉 强 度 16512.3.4 二 轴 包 络 线 16613 对 已 有 破 坏 准 则 的 评 介 16813.1 古 典 强 度 理 论 简 介 16813.1.1 最
27、 大 拉 应 力 理 论 16813.1.2 最 大 拉 应 变 理 论 16813.1.3 最 大 剪 应 力 理 论 16913.1.4 统 计 平 均 剪 应 力 理 论 16913.1.5 M ohr -Coulomb 理 论 16913.1.6 Dr uck er -Pr ager 理 论 16913.2 混 凝 土 破 坏 准 则 17113.2.1 Br es ler -Pist er 17113.2.2 W illam-W ar nke 17113.2.3 O ttosen 172目 录 13.2.4 H sieh -T ing-Chen 17313.2.5 K ot sovo
28、s 17313.2.6 P odgor s ki 17313.3 准 则 表 达 式 的 统 一 和 基 本 形 式 17713.4 各 破 坏 准 则 的 比 较 17914 各 类 本 构 关 系 简 介 18614.1 线 弹 性 本 构 模 型 18614.1.1 各 向 异 性 材 料 的 本 构 模 型 18714.1.2 正 交 异 性 材 料 的 本 构 模 型 18814.1.3 各 向 同 性 材 料 的 本 构 模 型 18814.2 非 线 弹 性 本 构 模 型 18914.2.1 O ttosen 本 构 模 型 19114.2.2 Dar win -Pecknol
29、d 本 构 模 型 19214.2.3 Ger st le-Stank ows ki 耦 合 本 构 模 型 19314.3 塑 性 理 论 模 型 19414.4 其 它 力 学 理 论 模 型 19515 非 线 弹 性 的 正 交 异 性 本 构 模 型 19715.1 已 有 本 构 模 型 的 验 算 19715.2 破 坏 形 态 和 等 效 单 轴 应 力 -应 变 关 系 19815.2.1 拉 应 力 指 标 和 破 坏 形 态 的 界 分 19815.2.2 应 力 水 平 指 标 19915.2.3 等 效 单 轴 应 力 -应 变 关 系 20015.3 基 本 方 程
30、 和 计 算 式 20215.3.1 正 交 异 性 材 料 的 基 本 方 程 20215.3.2 全 量 式 本 构 模 型 20315.3.3 增 量 式 本 构 模 型 20415.4 计 算 程 序 和 结 果 20515.4.1 计 算 框 图 20515.4.2 多 轴 应 力 -应 变 的 理 论 曲 线 20616 非 单 调 比 例 加 载 时 的 性 能 21016.1 变 应 力 途 径 的 多 轴 受 压 强 度 21016.1.1 变 途 径 二 轴 受 压 21016.1.2 定 侧 压 三 轴 受 压 21316.2 定 侧 压 二 轴 受 压 的 变 形 21
31、516.3 二 轴 受 压 应 力 重 复 作 用 218 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系16.3.1 比 例 加 卸 载 21816.3.2 定 侧 压 加 卸 载 221参 考 文 献 224概 述混 凝 土 主 要 是 由 水 硬 性 胶 结 材 料 水 泥 和 粗 、 细 骨 料 , 加 水 混 合 , 相 继 经 过 搅 拌 均匀 、 浇 注 成 形 、 振 捣 密 实 和 温 湿 养 护 等 工 序 后 逐 渐 凝 固 而 成 的 人 工 建 筑 材 料 。混 凝 土 用 于 结 构 工 程 只 有 近 百 年 的 历 史 , 至 今 已 成
32、 为 世 界 上 应 用 最 广 泛 的 主 要 结 构材 料 , 自 然 有 其 必 然 原 因 , 即 混 凝 土 材 料 和 其 它 结 构 材 料 相 比 具 有 下 述 的 突 出 优 点 : 制 作 快 速 、 简 便 , 就 地 取 材 , 价 格 低 廉 ; 抗 压 强 度 较 高 , 材 性 稳 定 , 抗 火 、 抗 腐 蚀 和 耐 久 性 等 尤 佳 , 适 用 于 一 切 地 上 、 地 下 和 水 上 、 水 下 结 构 ; 材 料 无 定 形 , 只 需 制 作 好 模 板 , 就 可 建 造 任 何 体 形 复 杂 、 尺 寸 可 大 可 小 的 整 体 结 构
33、; 选 用 不 同 的 原 材 料 和 合 理 的 配 合 比 , 有 时 还 掺 入 各 种 添 加 剂 , 配 以 恰 当 的 制 作 工艺 , 可 制 成 不 同 性 能 指 标 ( 如 容 重 、 强 度 等 级 ) 和 多 种 功 能 ( 如 早 强 、 抗 冻 、 耐 热 、 耐 酸 、 耐 磨 、 低 水 化 热 ) 的 专 用 混 凝 土 , 以 满 足 各 类 结 构 工 程 的 特 殊 需 要 。 至 于 混 凝 土 材 料 的 缺 点 , 如 自 重 较 大 、 抗 拉 强 度 低 和 易 于 开 裂 等 , 经 过 人 们 多 年 的 研 究 和 工 程 实 践 , 已
34、 从 原 材 料 选 择 、 配 制 工 艺 、 配 筋 构 造 、 预 加 应 力 和 施 工 管 理 等 方 面 采 取 措施 , 予 以 解 决 或 大 大 改 善 。至 今 , 混 凝 土 在 结 构 工 程 中 的 应 用 已 遍 及 建 筑 、 桥 梁 、 市 政 、 交 通 、 水 工 、 河 港 、 矿 业 、 地 下 、 机 场 等 各 个 领 域 ; 用 于 各 种 大 型 特 殊 结 构 , 如 电 视 塔 、 烟 囱 、 冷 却 塔 、 海 洋 平 台 等 也 日 渐 增 多 ; 甚 至 已 进 入 传 统 采 用 钢 结 构 的 机 械 工 程 领 域 , 如 万 吨
35、 级 水 压 机 、 船 舶 、 核 反 应 堆 压 力 容 器 和 安 全 壳 等 。 今 后 , 随 着 混 凝 土 材 料 性 能 的 不 断 提 高 、 施 工 工 艺 的 革 新 和 设 计 方 法 的 完 善 , 混 凝 土 结 构 的 应 用 必 将 有 更 大 的 发 展 。随 着 混 凝 土 结 构 的 发 展 , 兴 建 的 重 大 结 构 工 程 日 渐 增 多 , 例 如 核 电 站 、 高 大 水 坝 、 海 洋 平 台 、 很 高 的 电 视 塔 、 高 层 建 筑 等 等 。 这 些 结 构 的 安 全 和 正 常 地 运 行 , 已 经 不 仅 是 一 个 单
36、纯 的 技 术 、 经 济 问 题 , 而 是 对 人 民 生 命 财 产 和 社 会 安 定 有 重 大 影 响 的 社 会 问 题 。 可 是 , 这 些 结 构 往 往 是 形 体 高 大 而 复 杂 , 承 受 的 荷 载 大 且 变 化 多 , 还 可 能 经 受 各 种 严 酷 的 环 境 作 用 和 偶 然 性 事 故 , 例 如 强 烈 地 震 、 飞 行 器 的 撞 击 、 突 发 性 高 温 ( 火 ) 和 爆 炸 的 冲 击 、 风 浪 的 反 复 袭 击 等 。 因 而 , 这 些 结 构 的 力 学 分 析 和 设 计 要 求 有 足 够 的 精 确 度 和 可 靠
37、性 , 而 理 论 上 和 方 法 上 又 有 较 大 的 技 术 难 度 。从 另 一 方 面 看 , 混 凝 土 因 其 材 料 组 成 和 构 造 的 原 因 而 具 有 非 匀 质 、 非 线 性 和 非 各 向 同 性 等 性 质 , 还 因 混 凝 土 内 部 微 裂 缝 的 存 在 和 发 展 , 力 学 性 能 随 时 间 和 环 境 条 件 而 变 异 , 使 得 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 状 态 十 分 复 杂 , 影 响 因 素 多 , 变 化 幅 度 大 , 性 能 指 标 的 离 散 度 也 大 。过 去 , 一 般 的 钢 筋 混 凝 土 结 构 尺 寸
38、较 小 , 形 状 简 单 , 受 力 明 确 , 都 可 采 用 足 尺 的 或 按 比 例 缩 小 的 模 型 , 在 实 验 室 内 进 行 荷 载 试 验 , 测 定 其 结 构 反 应 , 将 试 验 结 果 直 接 用 于 设 计 , 或 者 经 过 统 计 分 析 后 , 将 得 到 的 经 验 计 算 式 指 导 设 计 。 70 年 代 前 , 在 各 国 的 混 凝 土 结 构 设 计 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系规 范 中 , 计 算 方 法 和 公 式 大 都 基 于 这 种 经 验 性 方 法 。 这 些 方 法 比 较 简
39、单 易 行 , 且 安 全 可 靠 ,在 工 程 实 践 中 取 得 很 大 成 功 。但 是 , 对 于 前 述 形 体 和 受 力 都 很 复 杂 的 重 大 结 构 物 , 这 些 经 验 性 方 法 显 然 无 法 胜 任 。 此 外 , 对 抗 震 和 抗 爆 结 构 等 要 求 进 行 受 力 全 过 程 分 析 , 即 从 开 始 受 力 的 弹 性 阶 段 , 依 次 进入 混 凝 土 开 裂 和 塑 性 变 形 发 展 、 钢 筋 的 屈 服 和 滑 移 、 塑 性 铰 的 出 现 和 极 限 机 构 的 形 成 、 极 限 荷 载 的 到 达 , 以 及 峰 值 荷 载 后
40、 的 结 构 反 应 等 等 , 使 用 经 验 性 方 法 也 无 法 实 现 。近 30 年 来 , 电 子 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 和 日 益 普 及 , 以 及 有 限 元 分 析 方 法 的 不 断 完善 和 丰 富 , 两 者 的 结 合 为 复 杂 结 构 的 准 确 分 析 和 合 理 设 计 提 供 了 强 有 力 的 理 论 基 础 和 高效 的 运 算 手 段 。 目 前 , 结 构 的 弹 性 分 析 已 有 多 种 成 熟 的 通 用 程 序 或 特 定 结 构 的 专 用 程 序 供 用 户 选 用 , 运 算 速 度 极 快 。 但 是 , 针 对
41、 非 线 性 、 有 裂 缝 的 混 凝 土 结 构 的 分 析 程 序 , 既 不 能 通 用 于 多 种 结 构 , 也 不 能 给 出 满 意 的 计 算 结 果 。 其 原 因 除 了 计 算 方 法 的 不 足 之 外 , 主 要 是 还 没 有 一 个 准 确 、 合 理 的 混 凝 土 本 构 关 系 。在 结 构 的 力 学 分 析 中 , 一 般 都 必 须 建 立 三 类 基 本 方 程 , 结 合 起 来 进 行 求 解 。 这 三 类 方 程 为 : 力 ( 广 义 ) 的 平 衡 方 程 、 变 形 协 调 的 几 何 方 程 、 联 系 力 和 变 形 之 间 关
42、系 的 物 理 方 程 。 物 理 方 程 有 材 料 的 正 应 力 -正 应 变 、 剪 应 力 -剪 应 变 , 杆 系 构 件 的 弯 矩 -曲 率 、 轴 力 -轴 向 伸 缩 、 剪 力 -剪 切 角 、 扭 矩 -转 角 等 ; 在 考 虑 温 度 和 时 间 等 因 素 时 , 又 有 更 复 杂 的 物 理 方 程 , 这 些 都 统 称 为 材 料 或 构 件 的 本 构 方 程 ( 或 本 构 关 系 ) 。本 构 关 系 对 于 结 构 分 析 和 结 构 性 能 的 重 要 性 无 以 复 加 。 事 实 上 , 对 应 于 一 种 特 定 的 材 料 本 构 关 系
43、 , 就 已 发 展 并 建 立 成 一 个 相 应 的 、 独 立 的 力 学 分 支 , 例 如 弹 性 力 学 、 塑 性 力 学 、 粘 弹 -塑 性 力 学 ; 考 虑 温 度 作 用 的 有 热 弹 性 力 学 、 热 塑 性 力 学 等 等 。 对 于 混 凝 土 这 样 一 种 特 殊 的 组 合 材 料 , 建 立 混 凝 土 力 学 势 在 必 行 , 只 是 要 成 为 一 个 成 熟 的 力 学 分 支 还 有 些 问 题 需 研 究 解 决 。现 今 , 我 国 的 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 1 -1 中 , 混 凝 土 的 强 度 和 变 形 性 能 指
44、标 , 都 是 以 单 轴 受 压 和 受 拉 的 试 验 结 果 为 基 础 的 , 给 定 的 本 构 关 系 是 最 简 单 的 线 弹 性 关 系 ( 弹 性 模 量 为 常 值 ) 。 这 些 与 规 范 中 的 经 验 性 构 件 设 计 计 算 方 法 相 适 应 , 可 满 足 一 般 工 程 的 设 计 要 求 。 但 是 , 将 单 轴 强 度 和 本 构 关 系 应 用 于 二 维 或 三 维 结 构 的 分 析 和 设 计 、 或 结 构 的 全 过 程 分 析 都会 发 生 困 难 , 或 引 起 很 大 误 差 。混 凝 土 结 构 的 力 学 分 析 和 设 计
45、方 法 , 由 依 靠 经 验 性 公 式 发 展 成 为 科 学 的 理 论 分 析 , 是 提 高 设 计 的 水 平 和 效 率 、 解 决 重 大 结 构 的 复 杂 计 算 , 保 证 结 构 安 全 的 方 向 。 在 具 备 高 速 计 算 机 和 有 限 元 方 法 的 基 础 上 , 必 须 提 供 适 合 于 各 种 受 力 和 环 境 条 件 下 的 混 凝 土 强 度 和 变形 规 律 , 或 破 坏 准 则 和 本 构 关 系 。下 面 分 上 、 下 两 篇 分 别 介 绍 混 凝 土 在 基 本 受 力 状 态 和 多 轴 应 力 状 态 下 的 强 度 和 变
46、形规 律 、 机 理 分 析 和 计 算 模 型 。但 需 说 明 , 本 书 讨 论 的 混 凝 土 强 度 和 变 形 性 能 , 一 般 适 用 于 常 温 ( 90% ) , 龄 期 为 28 天 , 取出 后 擦 干 表 面 水 , 置 于 试 验 机 工 作 平 台 , 承 压 面 为 注 模 的 侧 面 , 以 ( 0. 3 0. 5) N / ( mm2 s) 的 速 度 连 续 而 均 匀 地 加 压 , 直 至 试 件 破 坏 。 破 坏 荷 载 除 以 试 件 承 压 面 积 即 得 标 准 的 混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度 ( f cu / N mm- 2 )
47、 。试 验 机 通 过 钢 承 压 板 对 试 件 施 加 压 力 , 由 于 此 钢 板 的 刚 度 有 限 , 以 及 试 件 的 边 层 和 内 部 混 凝 土 的 材 性 不 均 匀 , 变 形 条 件 有 差 别 , 致 使 试 件 承 压 面 的 垂 直 压 应 力 分 布 不 均 匀 ( 图 2-1( a ) ) 。 同 时 , 钢 承 压 板 和 试 件 混 凝 土 的 弹 性 模 量 和 泊 松 比 不 相 等 ( E s E c , s c ) , 在 相 等 的 垂 直 压 应 力 作 用 下 , 钢 板 的 横 向 应 变 小 于 混 凝 土 的 横 向 应 变 ( s
48、 / E s 2 pr ) 之 后 , 故 属 于 混 凝 土 的 后 期 破 坏 形 态 。 它 只 影 响 试 件 峰 值 后 的 残 余 强 度 和 变 形 , 对 峰 值 前 的 上 升 段 应 力 -应 变 曲 线 无 关 。2.3 主 要 因 素 的 影 响混 凝 土 中 心 受 压 的 强 度 和 变 形 性 能 , 因 为 许 多 因 素 的 影 响 而 发 生 变 化 。 结 合 我 国 结 构 工 程 中 常 用 混 凝 土 的 情 况 , 对 设 计 并 制 作 的 一 批 试 件 进 行 了 全 面 的 对 比 试 验 2-5 。 试 件 的 编 号 和 所 用 材 料 见 表 2-2。混 凝 土 的 强 度 和 变 形 试 验 基 础 和 本 构 关 系16- 62表 2 -2 试 件 汇 总 表粗 骨 料试 件 编 号强 度 等 级配 合 比( 水 泥 水 砂 石 )水 泥 标 号水 泥 用 量/ kgm- 3种 类 形状 最 大 粒 径/ mm附 注BI CI DIDIa DIb E IF IC30CL 25C30C30C30C30C301 0 . 5 2. 5 01 0 . 5 1. 47 1 . 971 0 . 5 1. 73 3 . 841 0 . 5 1
