郭 雷

（中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司 天津 300222）

单轴受压应力-应变曲线试验技术综述

郭 雷

（中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司 天津 300222）

随着试验技术和计算技术的进步，大型复杂的混凝土结构对非线性分析提出更高的要求。由于混凝土受力具有与应力路径相关的特点，完整的非线性混凝土三维应力-应变关系很难完整依靠试验来得到。实际上，在混凝土的各种本构模型中，我们能够全面获取试验数据的也只有相对最简单的混凝土单轴受压试验。受压混凝土达到峰值应力时没有完全破坏，下降段上的残余承载力还有一定的利用价值。此外，进入下降段的受压混凝土，仍然具有消耗能量的能力。

混凝土本构关系 应力-应变曲线 单轴受压 应变能 刚性试验机电液伺服试验机

1 前言

钢筋混凝土结构是由两种性能差异巨大的材料组合而成，混凝土本质上又是一种非线性、非均匀工程材料，尽管结构理论和计算手段有了明显改善，结构试验仍然是混凝土结构设计理论和方法的一个主要支柱。21世纪以来，美国、中国、日本和欧洲国际在大型结构试验设备方面加大投入，结构试验的水平和能力不断提升。在结构设计理论的发展进程中，结构试验始终是第一位的。准确有效的试验模拟方法，新的试验现象和可靠的试验数据是推动混凝土结构理论不断发展的动力。混凝土结构工程科学本身就具备典型的实验科学的特点，结构试验是结构工程师认识混凝土结构性能的主要手段之一。

2 混凝土单轴受压状态下的应力-应变全曲线

我国采用棱柱体试件来测定一次短期加载下混凝土受压应力-应变全曲线。全曲线分为上升段和下降段两个部分。上升段分为弹性变形阶段，裂缝稳定扩展阶段和裂缝快速发展阶段。应力-应变曲线越过峰值点后进入下降段，此时在棱柱体试件的表面出现肉眼可见的裂缝，这类宏观裂缝表明试件已经解体，出现裂缝部位的混凝土已经不再具有完整的棱柱体形状。

从混凝土受压棱柱体的破坏形态来看，在混凝土的压应力达到峰值点的过程中，混凝土内部的微裂缝逐渐扩展延伸，假设压应力达到峰值点时，纵向裂缝将混凝土棱柱分割成若干个微小的柱体，由于材料的不均匀特性，继续增加荷载时，这些微小的柱体相继失稳破坏，导致棱柱体试件的承载力逐渐下降，由此形成应力-应变曲线的下降段。这种机理也称为混凝土破坏的微柱模型。这些微柱强度分布具有随机性，它们依据其强度相继破坏，因此棱柱体的变形增加，而承载力逐渐下降，因此形成下降段。受压混凝土达到峰值应力时没有完全破坏，下降段上的残余承载力还有一定的利用价值。此外，进入下降段的受压混凝土,仍然具有消耗能量的能力。

由于压应力达到时，试验机内积蓄的应变能会使试验机头冲击试件，使得试件破坏，因此在普通试验机上火的有下降段的应力-应变曲线是比较困难的。若采用有伺服装置能控制下降段应变速度的特殊试验机，或者在试件旁附加各种弹性元件协调受压，防止试验机头会谈的冲击引起试件突然破坏，并以等应变加载，就可以测量出具有真实下降段的应力-应变全曲线。

3 混凝土本构关系与单轴受压试验

混凝土时一种非均匀，非连续的人工混合材料。通常意义上的混凝土力学性能指混凝土的强度和变形性能，而所谓的本构关系，则强调混凝土的应力—应变关系。一般而言，混凝土的本构关系没有直接反应在混凝土结构设计过程中。但随着试验技术和计算技术的进步，大型复杂的混凝土结构对非线性分析提出更高的要求，采用基于有限单元法的非线性分析已经变得十分必要。由于混凝土受力具有与应力路径相关的特点，以及获取试验数据困难，完整的非线性混凝土三维应力-应变关系很难完整依靠试验来得到。尽管学者们提出了一些三维混凝土本构模型，但这些模型大多采用力学意义上的弹塑性模型，再辅以有限元的混凝土试验数据，通过引入等效应力和等效应变的概念，采用单轴受力的混凝土应力-应变关系作为多轴受力的混凝土非线性应力-应变关系。因此，在混凝土的各种本构模型中，最重要的是单轴受压的应力-应变关系。实际上，我们能够全面获取试验数据的也只有相对最简单的混凝土单轴受压试验。

4 应力-应变全曲线试验技术

试验结果表明，受压混凝土的应力达到峰值点后，下降段性能与试验机的刚度有很密切的关系。在普通试验机上突然破坏为特征的脆性破坏，在刚性试验机上可以避免。利用电液伺服试验机和刚性试验机技术可以得到混凝土应力-应变曲线的下降段。

4.1 刚性试验机试验技术

刚性试验机是得到混凝土应力-应变全曲线的基本设备。在混凝土力学性能试验研究早期阶段，普通液压试验机上的试验结果表明，混凝土为完全脆性材料，达到最大荷载厚混凝土即告破坏，无法得到混凝土受压完整的下降段。后来研究人员发现混凝土的脆性破坏与试验机的刚度有关，在刚度足够大的试验机上，受压混凝土的应力-应变曲线达到峰值点后还会展示出下降段。

试验机系统可以看做一个弹性系统，在对试件施加压力过程中。试验机系统可以看做一个弹性形态，在对试件施加压力的过程中，试验机本身产生弹性变形。这种弹性变形主要由试验机钢架的变形和液压油缸中压力油的压缩变形组成。受压混凝土试件达到最大荷载和不会立刻破坏，而是表现为承载力下降。注意到受压混凝土试件和试验机系统之间的作用力与反作用力的关系，试件的承载力下降意味着试验机积蓄的变形能开始释放。如果试验机释放的变形能得到控制，可以得到稳定的承载能力下降段过程。 否则，混凝土试件在试验机释放的变形能冲击下，表现为脆性的突然破坏。

4.2 刚性辅助元件

采用刚性辅助元件，改变试验机-试件系统的力学特性，使刚性辅助元件与试件同时承受压力，而刚性辅助元件-试件系统的性能曲线不出现下降段。这是目前在普通试验机上得到混凝土应力-应变全曲线的最常用的方法。

4.3 电液伺服试验机技术

伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在电液伺服压力试验机中，伺服控制系统用来控制加载油缸的活塞运动位置和运动速度。

采用电液伺服试验机进行混凝土受压试验时，当混凝土的压应力越过峰值点进入下降段后，试验机储存的应变能开始释放，安装在试验机上、下板之间的位移传感器不断将上、下压板间的相对位置变化量传送到计算机，计算机经过运算后对电液伺服阀发出指令，控制上、下压板之间的相对位置变化，从而得到稳定的下降段曲线。

试验控制的原理可以这样理解：混凝土的受力进入下降段后，试验机立柱和加载油缸所受荷载减小，加载时伸出的立柱开始回缩，试验机储存的应变能开始释放，带动上压板加速向下运动，这时位移传感器检测到这个运动趋势，控制系统立刻指令电液伺服阀调节加载油缸活塞的位置运动，使试验机上、下压板之间距离得到控制。

应该指出，尽管电液伺服系统采用了先进的反馈控制技术，理论上可以根据混凝土的应变或试件的位移来控制试验进程，但对于下降段曲线非常陡峭的高强度混凝土或岩石，当电液伺服试验机不具有足够快的反馈控制速度时，还是可能会出现系统控制滞后的线性。

5 除试验机外影响应力-应变关系的其他因素

除试验机的刚度外，还有一些因素影响混凝土的应力-应变关系。

5.1 边界条件的影响

混凝土立方体抗压强度和混凝土棱柱体抗压强度的差异，来源于混凝土受力状态的不同。混凝土立方体受压时，其端部与试验机压板之间存在摩擦。这种摩擦力限制了混凝土在水平方向的变形，也就限制了内部微裂缝的扩展，因而强度得意提高。混凝土棱柱体受压时，其端部区域也受到了摩擦力产生的约束作用，但发生破坏的混凝土棱柱体中部基本上不收端部摩擦力影响，因此抗压强度低于混凝土立方体抗压强度。在刚性试验机广泛使用前，人们就已经知道了混凝土受压试件端部条件对其抗压强度的影响。试验表明，试件端部条件对受压混凝土应力-应变曲线也有较大的影响。

5.2 应变测量技术

常规的方法是利用位移传感器测量试验机上下压板之间的距离变化，得到整个试件高度范围内的混凝土平均应变。或之间在混凝土表面粘贴电阻应变片，测量应变计标距范围内的平均应变。两种方法测量的受压混凝土应力-应变曲线上升段基本相同，但下降段差别较大。一般采用整个试件高度范围内平均应变所得的曲线具有更加平缓的下降段。说明混凝土受压进入下降段后，其损伤具有明显的局部化特点。采用电阻应变计测量混凝土表面的应变所遭遇的困难主要在于随着混凝土的损伤加剧，混凝土的裂缝导致电阻应变计失效。

5.3 尺寸效应的影响

混凝土的配合比、制作工艺、养护条件、试件形状和试验方法都相同，但试件的尺寸不同，得到不同的强度试验结果，这就是混凝土强度的尺寸效应。尺寸效应本身与混凝土应力-应变曲线测量技术没有直接关系，但混凝土的尺寸效应对其力学性能有明显的影响。

5.4 加载速率的影响

从混凝土的徐变特性可以知道，混凝土的力学性能与时间因素有关。在很低的加载速率条件下，混凝土的抗压强度很低。随着加载速率的提高，混凝土的强度随之提高。

在钢筋混凝土结构中，理想的混凝土单轴均匀应力状态并不常见。结构中的混凝土一般处在多轴应力状态下（双向应力状态、三向应力状态）。特别是梁的受剪，板的冲切，局部荷载作用如预应力筋的锚固区，梁柱节点等结构构件的设计方法与混凝土在复杂应力状态下的性能密切相关。

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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

中国分类号：U412.34A

1673-1816(2016)02-0068-04

2015-11-13

郭雷（1982-），汉，山西芮城人，硕士，高工，研究方向建筑工程。