复杂应力状态下混凝土局压特征与强度影响因素分析

黄吉国　黄蛟

摘 要：为弄清混凝土局部承压特征和强度影响因素规律，通过深入分析大量试验数据与国内外研究成果，对混凝土局部承压及破坏特征进行了归纳总结，并就尺寸效应、载面组合及内力偶臂系数对局压混凝土强度的影响过程进行了深入分析，结合我国桥涵设计规范给出的结果提出了适用范围和条件，同时针对存在问题提出了优化建议。

关键词：尺寸效应；载面组合；内力偶臂系数；规范结果；适用范围；优化建议

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0046-03

Abstract： In order to make clear the characteristics of local bearing pressure of concrete and the law of influencing factors of strength， the characteristics of local bearing pressure and failure of concrete are summarized through deep analysis of a large number of experimental data and research results at home and abroad. The influence process of size effect， loading surface combination and internal force coupling coefficient on the strength of local compressed concrete is analyzed， and the applicable scope and conditions are put forward according to the results given by the design code of bridges and culverts in China. At the same time， in view of the existing problems， the optimization suggestions are put forward.

Keywords： size effect； load surface combination； internal force dipole coefficient； code result； scope of application； optimization suggestion

1 概述

局部承压作为工程结构的普遍形式，被大量设计所采用。它以强度高，核芯混凝土由于约箍作用可以工作在塑性状态而倍受欢迎[4]。国内外二十世纪后期才开始研究这种处于二向或三向应力状态的混凝土，并且研究结果也不尽相同[1]。我国桥涵规范很慎重地给出了局部承压混凝土的结果。为了弄清这种常用结构的承压特征与强度影响因素，通过对大量试验数据的研究，分析总结了其破坏机理和尺寸效应、载面组合及内力偶臂系数K'对局压强度的影响过程。通过研究，发现我国目前桥涵规范给出的强度计算公式只适应于小局压比于情况，当用于大局压比或大体积混凝土时，可能引起很大误差甚至错误结果，这时只能按强度提高系数β的一般表达式进行估算。

2 局压混凝土强度构成与破坏特征

实验及理论分析表明，混凝土局压强度来源于材料间粘结力、内磨擦力和外围约箍力三部分，局压体是处于二向或三向应力状态的复杂受力，而全压混凝土则处于简单应力状态，这是两者最根本最本质的区别。

混凝土在强度形成过程中，由于干缩或泌水都会出现收缩裂缝和集料表面的结合裂缝。这两种裂缝起初无论在长度、宽度、走向及数量等方面都是随机的，但随着加载的进行，大集料表面的结合裂缝会沿界面长宽增加，同时沟通水泥石的干缩裂缝。当荷载进一步增加到极限时，大集料表面的结合裂缝互相穿过软弱区沟通，形成平行于荷载的裂缝，从而发生破坏，这是典型的单轴受压混凝土承压及破坏特征[4]。

处于双轴或三轴状态的局压混凝土承压及破坏特征主要表现为：由于受周围混凝土或钢结构约束力影响，推迟了界面裂缝和水泥石裂缝的产生和发展，阻碍了核芯混凝土体积膨胀，从而大大提高了强度。但破坏时同样产生平行于荷载的裂缝，这时核芯混凝土由于裂缝面临空（η=1），产生纯粹的剪切破坏，即出现与最大主应力成45°- 的楔形体。对于松散介质，没有平行于荷载的裂缝产生，即不会出现临空面，所以不可能形成楔形体。局压混凝土的另一个特征是：假设周围约束混凝土较厚，能够提供很高约束力，这时的核芯混凝土工作在塑性状态。这一特点为低强混凝土甚至松散材料的应用提供了一条广阔之路，目前应用广泛的钢管混凝土便是很好的例证[4]。

总之，局压与全压混凝土的承压及破坏机理基本是统一的，所不同的是局压问题由于约箍力存在，推迟了裂缝发展，提高了强度，核芯混凝土工作在塑性阶段，从而更大程度地利用了混凝土的塑性性能。

3 局压混凝土强度影响因素分析

3.1 混凝土承压体的尺寸效应

实践和经验都表明，混凝土局压强度不仅与集料性质、组成和水灰比等因素有关，而且还随外形尺寸发生变化。全压混凝土试件尺寸越大，其强度越低，但局压混凝土则随承压体尺寸增加而增大，其增大系数一般是承压体断面积A的函数，同时还是单位体积内疵缺数目的函数。因此，当强度增加到一定数值后，若再增大混凝土承压体尺寸，则强度保持稳定甚至降低，这一现象已被大量实验数據及概率分析所证实。

混凝土体内疵缺由于大小尺寸各不相同，而且是随机分布的，目前没有一个能完全描述它对强度影响的理论，所以本文讨论断面A对强度影响时，为使问题简化，忽略它对强度的影响，即认为混凝土是连续而内部无缺陷的匀质体。一般地，断面积A对强度的影响系数β表示为：

β= （1）

Ad-承压体承压断面面积；AC-荷载作用面积。

从式（1）看出，承压体断面面积对强度的影响系数为递增型抛物线函数。但对大体积（对应断面大面积）而言，β并非为无穷大，因为这时混凝土体内的各种缺陷对强度的影响非常大，即缺陷对强度有大量折减，一般认为Ad>9AC时就要考虑这种影响。

需要指出的是，混凝土承压体高度H对强度也有影响。当H小于混凝土局压破坏的裂缝深度h'时，可按弹性或刚性地基上的板计算；当h'

3.2 局部承压的载面组合影响

实践和理论都证明：荷载与承压面组合（简称载面组合）将严重影响局压混凝土强度。荷载作用于截面中心与荷载作用在截面边缘将产生完全不同的两种效果，显然第一种组合比第二种组合强度要高得多，它们的比值随承压面积增大而增加，最多可以相差四倍以上，因此，合理组合将是工程设计非常重要的内容。

载面组合可用“载面组合系数η”来描述。载面组合系数η是指荷载作用面中心到承压面边缘的最短距离h/2与荷载面尺寸a/2之比。η越大，说明组合越好，这时外围对核芯混凝土产生的约箍力越大，强度越高。η=1时，核芯混凝土在一个或几个方向失去约束，强度显著降低，变为纯粹的剪切破坏。工程实践发现，只有η沿各个方向都相同时，局压强度才最高，即只有中心局压时，强度才最高，这点国内外大量实验及理论分析都给予了充分肯定。

3.3 内力偶臂系数K'取值对局压强度估算的影响

混凝土局压强度估算：

目前，关于局压混凝土破坏形态一般有两种观点：一种认为破坏时产生了楔形体，楔形体作为局压问题的特征物可以用来作为计算模型；另一种则认为有些试件直到破坏时也没有出现楔形体，它不能作为局压问题的计算模型[1][2]。作者通过对比分析发现产生这种差异的原因在于实验条件的不同。如果试件强度偏低或加载速度过快都不能出现楔形体，反之则形成了楔形体。通常工程结构混凝土强度一般都不低，而且加荷速度缓慢甚至是静荷载，所以楔形体将作为局压问题的力学计算模型（图1）。

通过实验分析发现，在临近破坏前，随着楔形体形成，局压区内应力发生了重大调整，这种应力重分布现象可以持续较长，楔面剪切滑动的塑性显然会使应力趋于均匀[1][2]。所以在计算极限强度时均假定应力均匀分布（图1）。

式（4）表明，局压混凝土的强度提高幅度表现为β的大小。β随K'的增加逞下降趋势，因此研究K'的取值对β的影响将是必须和重要的。

目前系数K'一般都用经验方法给出，因为影响局压区深度的因素是多方面的，很难给出解析式。我国规范取K'为0.55+0.15 。为了解K'对β的全过程影响，作者详细分析了K'的构造过程，并提出了使用建议。

规范上近以取β= ，实际上这时m=0，K'=0.54，该结果仅适用于局压面积比在9以内，这时误差小于16%。对于大局压比情况，规范给出的结果会产生较大误差，甚至错误的结果，这时必须用式（7）进行计算，m 值可通过实验分析来确定。

4 结论

通过对处于复杂应力状态局部承压问题的深入研究与理论分析，可以得出以下基本结论：

（1）局部承压区混凝土处于二向或三向应力状态。由于局压区外混凝土约束力的存在，推迟了界面裂缝和水泥石裂缝的产生与发展，阻碍了核芯混凝土体积膨胀。当提供的约箍力足够大时，其核芯混凝土工作在塑性状态，这时局压强度得到大幅度提升，但破坏时同样产生平行于荷载的裂缝和锲形体，最后因剪切滑动而破坏。

（2）混凝土局部承压强度不仅与自身组成与结构有

关，而且还随承压体尺寸增大而增加，但不会永远增大，一般认为承压体面积超过荷载作用面积9倍后强度将趋于稳定不再增长。

（3）载面组合优劣将严重影响局压混凝土强度。载面组合系数η越大，说明组合越好。η沿各向相同时，构件处于中心受压状态，这时强度最高。η=1说明组合不好，这时构件在一个或几个方向失去约束，变为了纯粹的剪切破坏，因而强度最低。

（4）局压混凝土强度取决于提高系数β大小。β随内力偶臂系数K'的增加逞下降趋势。不同局压比情况，一般通过实验和经验法确定K'。

（5）局压面积比在9范围内时，我国桥涵规范给出了局压强度估算基本正确的结果，这时误差小于16%。但在大局压比或大体积混凝土情况下，规范结果随局压比的增加或m值的减少精度越来越低，甚至出现错误的结果，这时必须用式7进行计算，m 值可通过实验分析来确定。

参考文献：

[1]蔡绍怀，等.方格网箍混凝土的局部承压[J].土木工程学报，1986（4）：7-25.

[2]尉尚民.对《混凝土局部承压强度及破坏机理》一文的讨論及刘永颐等对讨论文的答复[J].土木工程学报，1986（4）：82-87.

[3]徐积善.强度理论及其应用[M].水电出版社，1984.

[4]黄吉国.约箍混凝土柱的强度[J].西南公路，1986（4）：17-28.