CN108801808A - 一种混凝土抗剪强度试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土抗剪强度试验方法，所述的混凝土抗剪强度试验方法包括抗剪强度试件制作、抗剪强度试验装置、两边断裂和单边断裂抗剪强度计算公式、抗剪强度试验结果有效性检验、影响抗剪强度试验结果的关键试验因素分析方法，测得的抗剪强度指标接近混凝土劈裂抗拉强度。本发明提供一种准确测定混凝土抗剪承载能力的手段，采用直接测得的抗剪强度指标作为混凝土结构设计参数，具有明显提高混凝土结构设计可靠性和安全性的有益效果。

Description

一种混凝土抗剪强度试验方法

技术领域

本发明属于混凝土结构性能测试技术领域，具体涉及一种混凝土抗剪强度试验方法。

背景技术

剪切是混凝土结构的主要受力模式，其承载能力极限状态决定结构的安全性，因此准确测定混凝土的抗剪性能参数十分重要。目前的结构设计中，用抗剪应力强度指标进行设计，由于纯剪切应力状态实现十分困难，而纯扭转试验产生的抗扭应矩，只产生一种等效剪切应力，不是真实存在的抗剪强度，因此结构抗剪承载能力设计指标不能反映真实抗剪能力情况。

韩文坝、黄双华提出了非零应矩弹性理论，将剪切从扭转中完全独立出来，修正了已有的弹性理论，使得独立、准确分析和测定混凝土结构的抗剪承载能力成为可能。本发明从非零应矩理论入手，通过混凝土不同破坏模式分析，给出了抗剪应矩控制破坏的一种混凝土抗剪强度测定方法，解决混凝土结构抗剪承载能力设计参数的测定问题，为混凝土结构设计和参数获取提供理论和技术支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土抗剪强度试验方法，为混凝土结构设计获取抗剪性能参数提供可靠手段，从而提高混凝土结构的安全性。

为了实现本发明的技术目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种混凝土抗剪强度试验方法，包括以下步骤：

1)利用非零应矩理论进行试验设计，抗剪强度控制破坏的试件选用正方形截面梁式试件，采用简支梁双点反对称的方式进行加载；

2)调整试件支座测量跨径，试件浇筑面向正前方，侧面朝上，安放加载装置，使加载装置的荷载作用中心与试件的几何中心对齐，支座和加载点与试件接触平稳、均匀；

3)选择符合《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的万能试验机进行加载，记录和绘制荷载-挠度曲线；

4)根据断裂破坏模式判断为两边断裂或单边断裂，然后根据抗剪强度公式计算。

本发明所述的正方形截面梁式试件其标准尺寸为150mm×150mm×550mm。

本发明两个加载点跨径为225mm，加载装置满足a/h≤1/3，分配梁的分配比例为1：m，其中a为加载点到试件几何中心的距离，h为试件高度，m为荷载分配比例，优选5mm≤a≤25mm，m≥8。

本发明所述的单边断裂破坏断裂面有明显的折线，有1.5a的截面高度为拉断，采用单边断裂公式。

本发明所述的两边断裂破坏断裂成三块，断裂面平直，采用两边断裂公式。

所述的单边断裂公式为：

其中τ为抗剪强度(MPa)；m为加载装置长臂与短臂长度的比值；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；a为支座到荷载作用中心的距离(mm)。

所述的两边断裂公式为：

其中τ为抗剪强度(MPa)；m为加载装置长臂与短臂长度的比值；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；a为加载点到试件几何中心的距离(mm)。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供一种混凝土抗剪强度试验方法，测得的抗剪强度指标稳定可靠，对不同结构和不同受力工况具有良好的一致性，符合混凝土结构受力的实际情况。

2、本发明提供的混凝土抗剪强度试验方法，测得的抗剪强度指标可用于混凝土结构设计，提高结构抗剪设计的可靠性和安全性，有利于新结构的设计和产生新发现。

附图说明

图1是本发明实施例的加载方式、弯矩和剪应力分布图；其中a为加载方式，b为弯矩和剪力分布，c为剪应力分布；

图2是本发明实施例的机制砂混凝土抗剪强度与石粉含量的关系曲线；

图3是本发明实例中抗剪强度与劈裂抗拉强度的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明实施技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种混凝土抗剪强度试验方法。该方法能够快速、准确获取混凝土抗剪强度参数，提高混凝土结构设计的可靠性和安全性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种混凝土抗剪强度测定方法，包括以下步骤：

步骤一、利用非零应矩理论设计抗剪强度试验装置，确定由抗剪强度控制破坏的试件尺寸范围和加载方式。

步骤1，试件尺寸，采用正方形截面梁式试件，其标准尺寸为150mm×150mm×550mm。

步骤2，加载方式，采用简支梁双点加载，跨径为225mm，其中一个支点到试件几何中心的距离a为5mm～25mm；加载装置两个加载点之间的距离为225mm，加载点与试件几何中心的距离按比例1∶m进行分配，与支座成反对称布置，m为8～44。

步骤二、建立抗剪控制破坏的力学分析方法及抗剪强度试验方法，给出混凝土抗剪强度计算公式。

步骤1，计算梁中的弯矩分布和剪力分布，绘制弯矩分布图和剪力分布图，分析建立弯矩与剪力的关系。

步骤2，计算最大弯矩截面上的由弯矩产生的最大应力和最大剪力截面上由垂直剪力产生的最大剪应力和平均剪应力。其中：

步骤a，弯矩产生的最大应力计算，应力理论，支点位置梁顶的最大弯拉应力计算公式为：

其中，f_w为支点位置的最大弯拉应力(MPa)；F为极限荷载(N)；a为支座或加载点到试件几何中心的距离(mm)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。其中，支座或加载点到试件几何中心的距离a＝5mm～25mm。

步骤b，按照弯曲应矩理论，分析剪切区剪应力分布，剪切区的剪应力分布为线性分布，其计算公式为：

其中，τ_xy为平衡剪切区剪应力由负弯矩引致的等效剪应力(MPa)；F为压力机所施加的荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；m为荷载装置分配荷载的比例；|y|为截面高度坐标绝对值(mm)。其中，剪切区梁顶和梁底的剪应力最大，最大剪应力为：

其中，τ_max为支点处梁顶的最大剪应力(MPa)；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；m为荷载装置分配荷载的比例。其中，荷载装置分配荷载的比例m＝8～44。

步骤c，抗弯承载能力评价方法，采用非零应矩理论计算最大弯应矩，其计算公式为：

其中，m_w为支座位置梁顶负弯矩产生的弯应矩(N/mm)；m为荷载装置分配荷载的比例；F为极限荷载(N)；a为支座或加载点到试件几何中心的距离(mm)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

步骤d，抗剪强度计算方法，由负弯矩产生的梁顶最大弯拉应力远远小于梁顶的最大剪应力，避免弯曲破坏。其中，参数：

其中，a为支座到试件几何中心的距离(mm)；h为试件高度(mm)。

步骤e，截面抗剪强度计算方法，根据剪切区的剪应力分布及平衡条件，采用截面上的平均剪应力的极限值作为抗剪强度指标，其计算公式为：

其中，τ为截面上的平均剪应力(MPa)；F为试验机的荷载读数(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；m为加载梁分配荷载的比例。

步骤三、确定抗剪应矩强度试验步骤，给出试验结果处理方法及可信性分析方法，对测试结果进行评价和利用。

步骤1，加载速度，按0.05MPa/s～0.08MPa/s的速度加载，直到试件破坏。

步骤2，记录荷载-挠度曲线，根据荷载一挠度曲线确定极限挠度值。

步骤3，断裂破坏模式，为剪切区近竖直剪切开裂，或由支点向上斜向扩展的剪切断裂。

步骤4，劈裂抗拉强度试验方法，采用6个试件断块测定劈裂抗拉强度，抗剪强度测定值与劈裂抗拉强度测定值相近，普遍小于劈裂抗拉强度。

一种实现形式的总体流程如下：试验设计，确定由抗剪应矩控制破坏的试件尺寸及加载方式；抗剪强度试验，确定试验步骤、抗剪强度计算方法及试验记录内容；试验结果分析，确定破坏模式的符合性、数据处理方法和试验结果误差。

一、试验设计

拉压、剪切、弯曲和扭转是可变形体结构的四种典型受力模式，其破坏分别受抗拉(压)强度、抗剪强度、抗弯应矩和抗扭应矩控制。混凝土抗剪性能试验，通常采用直接剪切试验方法，获得的抗剪强度是实际抗剪强度的2倍；采用简支变截面等高梁四点加载方式测定抗剪强度，梁两端需要配筋，梁中部截面需要缩小，加载方式需要采用反对称四点加载，试件成型和加载十分困难，试验结果受变截面的影响波动很大；采用薄壁圆筒扭转试验，获得的是抗扭应矩和等效抗剪强度，而不是真实存在的抗剪强度，用于不同尺寸和复杂受力模式的剪切分析将存在较大疑问。

根据非零应矩弹性理论，等截面等高梁弯曲过程中，存在平衡弯曲应矩的扭转应矩，而这些应矩产生的等效剪应力，需要有截面的抗剪应力平衡。抗剪承载能力低于抗弯承载能力时，破坏由抗剪承载能力控制，混凝土发生剪切破坏。

因此，本发明提出的一种混凝土抗剪强度试验方法，需要确定加载方式、试件尺寸及适用范围。

1、确定加载方式

混凝土抗剪强度试验，其加载方式满足以下条件：产生足够大的剪应力，使试验过程中试件破坏受抗剪强度控制；截面上剪应力分布已知，为简单分布或均匀分布，平均剪应力有确定值；其它应力的影响很小，没有产生与剪切破坏主应力相同的剪切应力。

常用的抗剪强度试验方法有薄壁圆筒纯扭转试验、直接剪切试验、变截面变高简支梁四点反对称受力剪切试验和变截面等高简支梁四点反对称受力剪切试验。薄壁圆筒扭转试验只产生扭矩，平衡扭矩产生的等效剪应力不是真实存在的剪应力；直接剪切试验需要抗剪试验夹具，受力过程中夹具约束试件的侧向变形，剪切破坏受到侧向约束，破坏面垂直，截面上的剪应力分布不均匀，测定的最大剪应力是平均剪应力的2倍，平均剪应力明显高于其它方法测得的抗剪强度；变截面变高简支梁试验，采用四点反对称加载方式，需要在梁两端非剪切区配筋，避免弯曲破坏，中间截面变窄、变低，加速剪切破坏，试件成型和加载过程比较复杂，试验结果的变异性大；变截面等高梁对试件成型有一定改进，但其存在的问题与变截面变高梁相同。

产生足够大的剪应力的方法是，采用反对称受力剪切试验，加载点与其中一个固支座足够近，将主要荷载分配给剪切区，这种加载方法满足剪切区宽度要求时，需要的试件高度和试件长度很大。等截面等高梁试验，试件支承方式采用简支，加载方式反对称双点加载。等截面等高梁成型容易，采用简支梁双点加载方式，加载过程容易实现，发生剪切开裂后，剪切裂缝可自由扩展，测得的是截面的真实抗剪强度。

图1为本发明一个实施例的加载方式、弯矩和剪应力分布图。加载方式为反对称加载，两个加载点与试件几何中心的距离按比例1∶m进行分配，则由材料力学得到剪切区产生的平均剪应力为：

其中，τ为截面上的平均剪应力(MPa)；F为试验机的荷载读数(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；m为加载梁分配荷载的比例。

根据非零应矩弹性理论，剪切区产生的剪应力由支点上负弯矩产生的弯矩导致的剪应力平衡。弯矩产生的剪应力为：

其中，τ_xy为由负弯矩引致的等效剪应力(MPa)；Q(x)为剪切区的最大剪力(N)；|y|为截面高度坐标绝对值(mm)；|S_z|为绝对静矩，对矩形截面，其计算公式为：

其中，b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

在悬臂段，截面上的剪力为：

在剪切区，截面上的剪力为：

按照应矩理论，抗弯支点位置梁顶的最大弯应矩为：

式中，m_w为梁的极限弯应矩(N/mm)；其余符号意义同前。

剪切区的剪应力分布为：

剪切区剪应力分布为线性分布，|y|＝h/2的顶面和底面的剪应力最大，中性轴的剪应力为零。三角形分布的平均剪应力等于最大剪应力的1/2。剪切区截面上的平均剪应力为：

与材料力学公式得到的平均剪应力相同。

采用等截面等高梁简支梁双点加载方式，分配荷载比例m足够大时，接近直接剪切应力状态，其特点是加载过程容易实现，发生剪切开裂后，剪切裂缝可自由扩展，测得的是截面的真实抗剪强度。

2.试件尺寸确定

按照弯曲应力理论，支点位置梁顶的最大弯拉应力为：

其中，f_w为支点位置的最大弯拉应力(MPa)；F为极限荷载(N)；a为支座或加载点到荷载作用中心的距离(mm)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

按照弯曲应矩理论，剪切区的剪应力分布为线性分布，支点位置梁顶的剪应力最大，最大剪应力为：

其中，τ_max为支点处梁顶的最大剪应力(MPa)。

理论上，只要弯曲应力小于等于最大剪应力，破坏就由剪切区梁顶的最大剪应力控制，平均剪应力就是混凝土的抗剪强度，其计算式为：

梁加载点位置与梁高的比值为：

其中，a为支座到荷载作用中心的距离(mm)；h为试件高度(mm)。正方形截面试件，宽度b×高度h为150mm×150mm，长度为550mm。支座或加载点到试件几何中心的最小距离为5mm≤a≤25mm。

150mm×150mm×550mm的试件是《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30)中混凝土抗弯拉强度试验用的标准试件，容易成型。根据集料最大粒径和研究需要，可选用其它尺寸的非标准试件进行试验。试件成型和养护方法根据研究内容需要及试验设计确定。

3.本发明适用于各种普通混凝土抗剪应矩强度测试，用于混凝土结构的抗剪承载能力分析与设计。其它材料的抗剪应矩强度测试，经论证符合本发明的破坏模式时，也可采用本方法测定抗剪应矩强度。其中：

(1)水泥胶砂和水泥砂浆的抗剪应矩强度测定，其中水泥胶砂的性能是建立在40mm×40mm×160mm标准小梁抗折和断头抗压试验基础之上的，其加载方式、截面最小高度、跨径和高跨比均不满足要求；水泥砂浆的性能测试，标准试件截面尺寸为70mm×70mm，也不满足要求。测定水泥浆和砂浆的抗剪强度时，需要增大试件尺寸。

(2)配筋混凝土可适应较大的弯曲变形，可带裂缝工作，但抗剪承载能力提高不多，容易满足本发明的试件尺寸控制要求，本发明的标准试件尺寸，在很大配筋范围内均适用于配筋混凝土的抗剪强度测试。

二、抗剪强度试验

抗剪强度试验分为试验准备、试验加载和抗剪强度计算三个步骤。以下为具体试验方法：

1.试验准备

试件成型：每组试验成型试件3个，抗剪强度试验标准试件，试件尺寸为150mm×150mm×550mm。根据材料类型及研究需要，可采用其它非标准尺寸试件，但必须换算为标准试件的抗剪强度值。

加载装置：等高梁反对称双点加载抗剪试验装置，支座之间的距离为225mm，支承方式为简支，一端为固定支座，另一端为设置2个球形铰的活动支座；加载装置与支座反对称，一端为设置1个球形铰的加载点，另一端为设置2个球形铰的加载点。如图1所示。

2.试验加载

试件安装：调整可移动支座，测量跨径，使其达到225mm，精确至1mm；将试件安放在支座上，试件浇筑面向正前方，侧面朝上，安放加载装置，使加载装置的荷载作用中心与试件的几何中心对齐，支座和加载点与试件接触平稳、均匀。

试验加载：优选符合《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30)的万能试验机，试验机的精度为±1％，试件破坏荷载大于万能试验机全程的20％且小于万能试验机全程的80％，试验机有电脑控制加荷速度和竖向位移传感器，可自动记录和绘制荷载-挠度曲线。

记录内容：加载速度为0.05MPa/s～0.08MPa/s，记录荷载-挠度曲线和剪切断裂破坏的极限荷载F(N)。详细描述断裂位置、裂缝扩展方向。研究荷载-挠度曲线，记录极限荷载时的挠度。

3.弯曲应矩计算

根据试件尺寸、加载方式和破坏荷载，弯曲应矩计算公式为：

式中，m_w为支座处梁顶的弯应矩(N/mm)；a为支座到试件几何中心的距离(mm)；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

4.抗剪强度计算

根据非零应矩理论，以及竖直面上的应力、应矩衡，计算最大剪应力。当试件两侧同时剪切断裂时，混凝土的抗剪强度取为平均剪应力的极限值，计算公式为：

其中，τ为抗剪强度(MPa)；m为加载装置长臂与矩臂长度的比值；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

剪切裂缝扩展后，当试件剩余高度h′≤3a时，试件发生弯曲破坏，实际抗剪承载截面高度为h-1.5a。因此，当试件为一侧剪切断裂时，抗剪强度修正公式为：

其中，τ为抗剪强度(MPa)；m为加载装置长臂与短臂长度的比值；F为极限荷载(N)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)；a为支座到试件几何中心的距离(mm)。

三、试验结果分析

试验结果分析包括：确定破坏模式的符合性、数据处理方法和试验结果误差分析。

1.破坏模式的符合性

剪切破坏模式，起裂点位于剪切区内，裂缝斜向试件中部扩展，然后近竖直方向断裂。裂缝扩展在试件中部有明显的转折点，起裂点到试件端部的最小距离其中L为试件长度，a为加载点或支点离试件几何中心的距离。

当试件上下同时达到最大剪应力时，可发生试件上下同时开裂，形成3个断裂块，断裂面位于加载点和支点附近，断裂面近竖直。

当试件发生弯曲断裂时，断裂位置为支座附近梁顶负弯矩最大部位，裂缝沿同一方向小角度向下扩展，试件中部没有明显的断裂转折点。

2.数据处理方法

几何参数：计算跨径通过测量两个支座中心线的水平距离确定，跨径为225mm，精确到1mm；试件宽度和试件高度通过测量跨中截面的宽度和高度确定，其标准值为150mm×150mm，精度为1mm；a为5～25mm，精度为0.5mm。试件几何中心与试验机的加载中心对中，加载位置与试件跨中线对位，误差不大于1mm。

力学参数：极限荷载由试验机电脑记录读取，精确到1N；挠度由荷载-位移曲线，经过数据处理确定。数据处理时，取近直线段，作直线延伸到零荷载，荷载-位移曲线与位移轴的交点即为零点，极限荷载对应的位移与零点读数相减，即得到挠度值，精确到0.01mm。

弯曲应矩计算：按本发明给出的计算公式，以梁顶的弯曲应矩作为弯曲应矩。弯曲应矩试验结果，以3个试件测值的算术平均值作为测定值，精确至1N/mm。

抗剪强度计算：按本发明给出的计算公式，以截面的平均极限剪应力作为抗剪强度。抗剪强度试验结果，以3个试件测值的算术平均值作为测定值，精确至0.01MPa。

3.试验结果误差分析

如果3个试件中最大值或最小值如有一个与中值之差超过中值的15％，把最大值和最小值舍弃，取中值作为测定值。如最大值和最小值与中值之差均超过中值的15％，测试验结果无效。

3个试件中如有一个断裂破坏模式不符，其余两个试件较大值和较小值之差均不超过较小值的15％，取两个测值的平均值作为测定值；如果有两个断裂破坏模式不符合，或者两个测值的误差超过较小值的15％，测试验结果无效。

图2为本发明一个实施例的机制砂混凝土抗剪强度与石粉含量的关系。试验采用的荷载分配比为m＝8，a＝25mm。由图可知，机制砂混凝土的抗剪强度随着石粉含量的增加而降低，这对于机制砂用于结构混凝土抗剪部位时控制石粉含量具有重要意义。

图3本发明一个实例中抗剪强度与劈裂抗拉强度的关系曲线。试验采用的荷载分配比为m＝8，a＝25mm。机制砂混凝土的抗剪强度与混凝土的劈裂抗拉强度相近。几何参数a的取值过大，会造成试验结果的误差增大，本实施例是m＝8，a＝25mm，出现了两种剪切断裂破坏模式，超过一半的试验结果采用修正公式进行计算，虽然试验结果仍足够精确，但不建议a取值过大。

如上所述，根据本发明，由于找到了混凝土抗剪破坏的本质，给出了抗剪强度试验方法，测得混凝土抗剪承载能力的客观物理量，定义的抗剪强度和计算公式，提高测试参数的可靠性，可用于混凝土结构设计与分析，提高结构的可靠性和安全性。

本发明适用于各种混凝土抗剪强度试验。采用混凝土实测抗剪强度指标进行结构设计与分析，可提高结构设计的可靠性和安全性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用非零应矩理论进行试验设计，抗剪强度控制破坏的试件选用正方形截面梁式试件，采用简支梁双点反对称的方式进行加载；

2)调整试件支座测量跨径，试件浇筑面向正前方，侧面朝上，安放加载装置，使加载装置的荷载作用中心与试件的几何中心对齐，支座和加载点与试件接触平稳、均匀；

3)选择符合《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的万能试验机进行加载，记录和绘制荷载-挠度曲线；

4)根据断裂破坏模式判断为两边断裂或单边断裂，然后根据抗剪强度公式计算。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，所述的正方形截面梁式试件其标准尺寸为150mm×150mm×550mm。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，两个加载点跨径为225mm，加载装置满足a/h≤1/3，分配梁的分配比例为1∶m，其中a为加载点到试件几何中心的距离，h为试件高度，m为荷载分配比例，优选5mm≤a≤25mm，m≥8。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，所述的单边断裂破坏断裂面有明显的折线，有1.5a的截面高度为拉断，采用单边断裂公式。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，所述的两边断裂破坏断裂成三块，断裂面平直，采用两边断裂公式。

6.根据权利要求4所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，所述的单边断裂公式为：

其中τ为抗剪强度；m为加载装置长臂与短臂长度的比值；F为极限荷载；b为试件宽度；h为试件高度；a为加载点到试件几何中心的距离。

7.根据权利要求5所述的一种混凝土抗剪强度试验方法，其特征在于，所述的两边断裂公式为：

其中τ为抗剪强度；m为加载装置长臂与短臂长度的比值；F为极限荷载；b为试件宽度；h为试件高度。