高性能混凝土真三轴压应力应变行为的试验与理论研究

High-performance concrete (HPC) like high-strength concrete (HSC) and self-consolidating concrete (SCC) is now widely used in typical confined concrete structures, for instance, reinforced concrete columns with high transverse reinforcement ratio, concrete-filled steel tube (CFST) columns, CFST arch ribs, concrete-filled FRP (fibre-reinforced polymer) tube (CFFT) columns, etc. From the aspect of structural performance, HSC's shortcoming of low ductility can be overcome by the confinement effect; from the aspect of construction performance, SCC can improve the placing quality of concrete within closely spaced reinforcements or tube structures. In these structures, concrete is normally under true triaxial compression. Therefore, a constitutive model that can describe the mechanical behaviours of HPC under true triaxial compression is of great practical value, which has been absent in the studies so far. This project is aimed at establishing the axial stress-strain and lateral-axial strain models for HPC under true triaxial compression, and exploring the influence of minimum principal stress, intermediate principal stress, water-binder ratio, paste volume and other parameters through systematic experiments. After that, the new models will be integrated into the finite element (FE) analysis framework to simulate tests on confined concrete structures, and the simulation results will be compared with the test results to verify the new models. Last but not the least, the outcome of this project will help provide guidelines for the practice of structural design and facilitate the application of confinement effect in the actual construction projects.

高强、自密实等高性能混凝土现已普遍应用于许多典型的约束混凝土结构中，如高箍筋配筋率钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、钢管混凝土拱肋、FRP（纤维增强聚合物）管混凝土柱等。在结构上，高强混凝土低延性的弱点可以藉由约束效应克服；在施工上，自密实混凝土可以提高密集钢筋或管状结构内混凝土的浇筑质量。在这些结构中，混凝土一般处于真三轴压状态。因此一个可以准确描述高性能混凝土真三轴压条件下力学行为的本构模型将具有广泛的实用价值，这正是现阶段研究所缺乏的。本项目旨在通过系统的试验，建立真三轴压条件下高性能混凝土的轴向应力-应变和横向-轴向应变模型，探索最小主压应力、中间主压应力、水胶比、浆体体积含量等参数的影响。然后，将新模型整合于有限元框架中，通过模拟约束混凝土结构试验，比较模拟结果与试验数据来验证新模型的准确性。最后，本项目的研究成果将用于指导工程结构设计，进一步推动混凝土约束效应在工程中的实际应用。

高强、自密实等高性能混凝土现已普遍应用于许多典型的约束混凝土结构中，如高箍筋配筋率钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、FRP（纤维增强聚合物）管混凝土柱等。在结构上，高强混凝土低延性的弱点可以藉由约束效应克服；在施工上，自密实混凝土可以提高密集钢筋或管状结构内混凝土的浇筑质量。在这些结构中，混凝土一般处于真三轴压状态。因此一个可以准确描述高性能混凝土真三轴压条件下力学行为的本构模型将具有广泛的实用价值，这正是现阶段研究所缺乏的。. 本项目针对以上背景，开展了（1）可施加恒定围压的新型混凝土真三轴装置设计与研发；（2）高性能自密实混凝土的真三轴力学性能、本构关系与强度理论；（3）自密实钢管混凝土力学性能与微观结构关系；（4）新型膨胀混凝土及煤矸石混凝土真三轴压力学性能等研究。结果表明：新型真三轴中两个相互垂直设置的油压千斤顶以及油路控制系统可以使混凝土立方体试件两组相对的水平方向面所受到的应力大小是相互独立且恒定，可以实现双轴加压和真三轴压，并实现在试验中记录立方体试件在真三轴压加载过程中的形变，直观的分析混凝土在真三轴压下的强度和变形特征。在单轴加载条件下，随着浆体体积含量的增加，混凝土试件的抗压强度在逐步降低，峰值应变也随着浆体体积含量的增加而降低，混凝土随着浆体体积含量增加整体呈现“硬脆性”破坏。在常规三轴压加载下，混凝土的峰值应力和峰值应变随着围压的增加，呈现线性增加的规律。在真三轴压加载下，保持最小主压应力不变，只提高中间主压应力，混凝土的抗压强度也随着提高，但提高强度并不明显。想要得到有效的约束需要同时增加最小和中间主压应力。混凝土的最小主压应力相同，剩余应力基本相同，剩余应力的大小有很大的权重是取决于最小主压应力的大小，中间主压应力的变化对其影响较小。基于研究数据建立的自密实混凝土特性的应力-应变曲线，预测约束混凝土的峰值应力、峰值应变及曲线具有较高的精确性。提出了适合不同浆体体积含量的自密实混凝土的破坏准则参数。. 另外，开展了钢管自密实混凝土中自密实混凝土工作性能与力学性能相关性研究，率先提出了自密实混泥土实用“密实度”，评估自密实混凝土与钢管自密实混凝土在振捣与非振捣状态下轴压力学性能，揭示了自密实混凝土密实度、浆体体积差异对结构性能的重要影响。