加载边界条件对混凝土材料双轴试验结果的影响.doc

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1、加载边界条件对混凝土材料双轴试验结果的影响任晓丹（同济大学土木工程学院）摘要：本文基于有限元方法，系统研究了加载边界条件对混凝土试件双轴加载试验结果的影响。文中建立了精细有限元模型，对计算得到了混凝土板式试件在各种二维受力组合下考虑了加载边界条件的应力分布，根据应力集中程度讨论了各种受力组合下二维试验结果的有效性。最后将本文结论同实测混凝土板式试件二轴包络线试验结果进行了对比分析，结果表明本文结论与实测结果一致，本文方法对材料多维加载试验设计具有参考意义。关键词：加载边界条件混凝土双轴试验引言常用的混凝土

2、本构模型，诸如弹性模型、塑性模型、内时模型以及宏观损伤模型，都可以归结为基于Noll定义的简单材料框架内的连续介质局部本构理论，认为力学单元体上作用的应力及产生的应变都是均匀的[1]。在此基础上进行的本构关系试验往往将试件近似取为力学单元体，使用加载设备向试件施加外力和变形，在试件承受外力及产生的变形都是均匀的前提下将外力和变形在试件体积上求平均值，就得到了实测的材料本构关系。早期的实验工作者没有考虑到加载均匀性的影响，没有对试件的加载面以及试验机的加载板进行适当处理，于是得到的试验结果与直观认识和理论预

3、测大相径庭。第一个着力解决这个问题的研究者是Kupfer（1969），他在试验中采用了刷形加载板减小试件与加载板之间的摩擦，使得试件所受应力尽量均匀。以后的研究者又针对加载板对试件的侧向约束提出了多种处理方案（过镇海2003），这里统称为试件的加载边界条件。在混凝土材料二维加载试验中，目前常用的边界处理方案为：受压加载方向在试件受压面和受压加载板之间设置减摩层；受拉加载方向采用结构胶将试件和加载板直接粘接。理论和试验都表明，加载边界条件对混凝土材料试验的结果有很大的影响，下面将借助精细有限元分析讨论上述加

4、载边界条件对二维本构试验结果的影响。6分析模型本研究梯队于2004-2005年在清华大学高坝大型实验室进行了混凝土板式试件双轴本构关系实验（李杰任晓丹杨卫忠2007）。加载设备采用INSTRON8506四立柱液压伺服试验机。试验装置如图所示（图1）：图1双轴加载详图这里借助有限元方法来分析广义边界条件对试件内部应力应变分布的影响，重点分析不同加载边界条件下试件的应力集中。建模过程中考虑下面三类广义边界条件：第一，试件与加载板的接触条件。对于受拉加载面，试件和加载板之间通过结构胶粘结，结构胶可以同时传递拉力

5、和剪力，这就使得加载板对试件有着一定程度的侧向约束。为了方便起见，有限元建模时在受拉加载板的加载面同试件的受拉面之间设置为协同变形。对于受压加载面，为了尽量减少加载板对试件的侧向约束，本次试验中在加载板与试件之间设置了两层0.2mm的Teflon减摩层。为了简化分析，有限元建模过程中受压加载板与试件之间设为直接接触，接触摩擦系数取为Teflon减摩层之间的摩擦系数。考虑到试验采用Teflon的纯度以及以往试验的经验，摩擦系数取为0.21。第二，加载板自身的变形。加载过程中加载板本身存在一定的变形，这种变形

6、对试件中的应力分布有一定的影响。所以本文准确建立了加载板的三维几何模型和材料模型，代入有限元模型与试件模型共同进行分析计算。第三，加载模式的影响。本试验采用的试验机同大多数试验机的加载模式相同，都是由加载头朝向或背离支座作单方向相对运动，从而给其间的试件加载，这种加载模式会使试件产生非对称变形从而对双轴加载试验有着很大的影响，特别是对于加载板与试件之间存在粘结时6这种影响尤为显著。因此，在有限元建模和分析的过程中必须准确地的考虑加载板的运动，进而才能准确的计算试件的内力和变形。采用ABAQUS6.5建立的

7、三维有限元模型如图2（参照图1）：(a)模型立面图（b）模型轴侧图图2有限元模型及网格划分由于本文旨在讨论在一定的加载边界条件下混凝土试件中应力分布的不均匀性及其对后续裂缝开展趋势的影响，进而定性的判断二轴本构试验结果的有效性，所以可以先计算出试件未开裂前其中的应力分布，若此时应力分布比较均匀，那么后续混凝土中裂缝及损伤的产生和发展就符合研究的基本假定，从而试验结果就是有效的；若存在较强的应力集中，那么裂缝和损伤必然在应力集中的部位先发生，与研究的基本假定不符，从而导致试验结果不可用。由于考虑混凝土试件未

8、开裂时的行为，所以在有限元分析过程中假定试件和加载头均处于弹性状态：混凝土弹性模量取30GPa，泊松比取0.2；钢材弹性模量取210GPa，泊松比取0.3。虽然模型材料均为线弹性的，但是由于接触条件的非线性，整个模型仍然是一个非线性有限元计算模型。分析结果本文分别对混凝土板式试件的三种二维受力状态进行了模拟，分别分析和计算了不同受力状态下加载边界条件对板式试件的影响，讨论如下：双轴受压对于双轴受压试验，利用上述有限元模型，底端