关于混凝土局部受压研究与应用现状的探讨

刘虹 秦云

摘 要：混凝土局部受压在工程实践中是常见的，在国内外，关于该问题的研究起步较早，且主要依赖于一定条件下的、有限数量的试验结果，相关理论或推导引用了或多或少的假设，所得计算公式间存在一定的差距。本文系统总结了国内外学者对混凝土局部受压的研究成果及应用现状，并考虑工程实际，结合现行规范，对与局压相关的问题进行了探讨，所提出的相关意见和看法，可供局压研究和工程实践参考。

关键词：混凝土局部受压；研究与应用现状；局部受压提高系数

Abstract： It is popular in practice that the compression force is applied locally on concrete member. With the aid of experiment， studies on the local compression were performed by Domestic and foreign scholars earlier. There were remarkable differences among various formulas due to limited experiments and their hypothesis. In this paper， the research results and application of local compression of concrete were summarized. According to the engineering practice and current specification， some problems concerned are discussed. Here， relevant comments and views can be references for engineering practice and research in the future.

Keywords： concrete local compression； research and application； improve local compression factor

1.引言

混凝土局部受壓即在混凝土构件的表面上只有部分面积承受压力的状态[1]。局部受压是钢筋混凝土结构中最常见的受力形式之一。19世纪80年代，国外便开始了对混凝土局部受压的研究，20世纪50年代—80年代，混凝土局部受压的研究进入了高峰期，研究主要集中于破坏形态、破坏机理、影响因素和强度理论四个方面， 期间的大部分成果得以延续至今；此后，对该课题的研究几乎停滞。由于受客观条件及计算机技术水平的限制，以往的研究方法仅限于试验和理论推导，试件为受压面没有坡度的长方体和圆柱体试件，对于构件内部的应力分布则根据基于一定基本假设的理论推导得到。

事实上，国内外学者对局压的研究具有各方面的局限性，例如，存在试验结果及统计所得计算公司存在一定差别、应力分布裂纹扩展的理论描述不详、对受压面有坡度的局压问题鲜有研究等缺憾。本文拟对与局压相关的试验及理论结果进行总结和分析，并就与局压相关的问题提出自己的意见或看法，供工程研究和实践参考。

为便于问题的讨论，定义如下参数：

——混凝土局部受压提高系数

——混凝土局部受压面积

——混凝土截面面积或者局压计算面积

1.破坏形态的研究

Hawkins N M、Niyogi、曹声远、刘永颐等对混凝土局部受压的破坏形态进行了大量的试验研究，所得结果基本一致，局部受压的破坏形态主要与局部受压面积 、试件截面面积 以及在表面上的位置有关[1]。其具体的破坏形态和特征概述如表1所示。

由表1可见，先开裂后破坏对结构是最有利的，因为在这种情况下，构件开裂之后还具有一定的承载能力，使其具有更高的可靠度和安全性。后两种破坏形态发生前没有明显的征兆，构件局压开裂，构件就会突然破坏，其破坏荷载远小于下部支承混凝土构件的实际承载力，在一定程度上会造成材料的浪费，对构件的受力和充分利用是非常不利的。

2.工作机理的研究

针对混凝土局部受压工作机理，理论解释有套箍强化理论（蔡绍怀，Hawkins等）和剪切理论（曹声远、刘永颐等）。

套箍强化理论认为，局压受压的混凝土柱体受压的同时，还受有类似套箍的径向侧压力作用。局部受压区的混凝土可看做承受侧压力作用的混凝土芯块，当局部荷载增大时，受挤压的混凝土向外膨胀，而周围混凝土起着套箍作用而阻止其横向膨胀，因此，挤压区混凝土处于三向受压状态，提高了芯块混凝土的抗压强度。当周围混凝土环向拉应力达到抗拉极限强度时，试件即破坏[2]。

剪切理论认为，在局部荷载作用下，局部受压区犹如一个带多根杆的拱结构。紧靠承压板下面的混凝土，位于拉杆部位，承受横向拉应力。当局部荷载达到开裂荷载时，部分拉杆由于局部受压区中横向拉应力 大于混凝土极限抗拉强度 而断裂，从而产生了局部纵向裂缝，但此时尚未形成破坏机构。随着荷载继续增加，更多的拉杆被拉断，裂缝进一步增多和延伸，内力进一步重分配。当达到破坏荷载时，承压板下的混凝土在剪压作用下形成楔形体，产生剪切滑移面，楔形体的劈裂最终导致拱结构的破坏[3]。

综合分析，这两种理论的差异在于对混凝土局部受压强度提高原因和破坏过程的解释。套箍强化理论认为混凝土局部受压强度提高是由于周围混凝土产生类似套箍的侧压力，使得核心混凝土处于三向受压状态；而剪切理论认为，强度提高的原因是受压区下拱结构的存在，对楔形体的滑移产生抑制作用。套箍强化理论中，局压破坏只是由于一种力即周围混凝土的环向拉应力达到极限抗拉强度。剪切理论中，局压破坏是由于两种力的存在和发展，第一种是拱结构中中部劈裂力，第二种是楔形体形成过程中由于楔面的塑性剪切变位或滑移引起的顶部劈裂力。

根据套箍强化理论，可以推出试件的开裂荷载等于破坏荷载，但当 时，混凝土的开裂和破坏显然是不统一的，破坏荷载要大于开裂荷载；当采用二维方法分析局部承压问题时，其虽然无套箍作用，但是强度仍有提高；在边缘局压、条形局压、条形中心受压、削脚试件的中心受压情况下用此理论难以解释；国内外大量试验研究表明，局压试件在破坏的时候都会产生一个楔形体，而运用套箍强化理论，无法解释楔形体产生的机理，因此套箍强化理论并不能真实反映混凝土局部受压的工作机理。与试验结果相比，剪切理论较为合理地反映了混凝土局部受压的破坏机理和受力过程。

3.强度理论研究概述

为使试验研究成果能得到广泛的运用，根据试验成果推导出可用于工程实际的理论计算公式是必要的。国内外学者基于试验研究，运用不同的破坏模型和理论原则推导出了多种混凝土局部受压的强度计算和局部受压提高系数公式如表2所示。

包兴格的强度理论是基于100mm×100mm×100mm的天然砂岩立方体的试验得出的，不能真实反映混凝土的局压强度，因而相应的强度和提高系数计算表达式是缺乏合理性的。捷尔万那巴巴将试件的局压强度分为两部分，并采用二项式进行表述，第一、二项分别考虑混凝土、钢筋网的贡献，该式阐述了钢筋混凝土构件局部承压强度的组成，但二项式的比例分布存在一定的问题；其中，公式的第二项没有考虑局部挤压面积对承压强度的影响，而且低估了钢筋网片对局压强度的影响，结果总体是偏低的。蔡绍怀的强度理论是根据套箍理论推导而得，如前所述，套箍强化理论在一定程度上不能真实反映混凝土局部受压的工作机理，与实际的试验结果存在一定的偏差，尤其是当 ，由该理论所得强度与试验结果相差较大。

Shailson根据21个200mm混凝土立方砌块局壓试验的结果，总结得出混凝土土局压强度随 的提高而增加的规律，且当 时，局压承载力不再提高，首次提出了上限定值的概念，局压强度并不随的增加而无限增大。

Kawkins根据局压楔形体破坏模型，在剪切滑移面上采用coulomb破坏准则，建立的局压强度计算公式，既适用于对称受压的情况，也适用于偏心受压的情况。但要确定公式中参数K是比较困难的。

曹声远、刘永颐均是在楔劈理论（剪切理论）的基础上推导出的局压强度公式，二者的不同之处在于，曹声远是运用极限平衡理论推导，且没有考虑钢筋网片的影响；刘永颐则运用库伦假设推导，同时考虑了钢筋网片的影响。

《混凝土结构设计规范GB50010-2010》（以下简称混规）将局压强度的计算公式考虑了三种情况，即配置间接钢筋、素混凝土受局部荷载作用和素混凝土有局部或非局部荷载作用的情况。欧洲规范CEB-FIP MC90中，混凝土局部受压强度虽然也考虑了三种情况，但其划分的方法与混规不同，分类标准按混凝土局部受压的三种可能破坏形态来（端部胀裂、下部开裂和压碎失稳）分别计算局压强度。美国规范ACI318-99同样采用将混凝土强度指标乘以局压强度提高系数的方法计算局压强度，但与我国的不同之处在于混凝土强度指标，我国是采用150mm×150mm×300mm的棱柱体的抗压强度，而美国采用混凝土圆柱体抗压强度。

由表2可知，虽然各种强度理论都认为 是影响混凝土局部受压提高系数的关键因素，但各强度理论间存在一定的差别。由图3.1可看出，所有的曲线（除了shelson）都交于一点（1，1），说明当局压面积比为1时，非局部受压时混凝土的局压强度没有提高，与实际相符。在 时，除了ACI公式，其余的局压提高系数都呈曲线增长，说明当 时，混凝土的破坏属于延性破坏。捷尔万那巴巴的提高系数在局压面积比为4以内增长速度最快，GB50010-2010和ACI公式次之，shelson的公式最小，与其他公式存在较大差异。

当 时，曹声远、完全平方、刘永颐和包兴格公式呈线性增长，局压面积比越大，提高系数越高，其中又以曹的值为最大，包兴格的值为最小，这说明当 时混凝土呈脆性破坏。而GB50010-2010和ACI公式分别在局压面积比大于9和4之后便不再变化，shelson的值则在局压面积比大于9时十分缓慢的增长，当局压面积比大于30时不再变化，表明这三种理论公式认为混凝土局压提高系数并非随着局压面积比的增大而无限增大，它的增大是有限制的。GB50010-2010、ACI在1～4之间基本重合，大于4时GB50010-2010变为恒值3，ACI变为恒值2，说明中国混凝土规范和美国规范对局压提高系数的上限值存在差异。曹声远的局压提高系数分别在局压面积比为9、25时发生突变，虽然与破坏形态的机理相符，但也违背了局压现象连续性的一般性原理。

4.研究现状及有待研究的问题

20世纪80年代，国内外形成了为工程界普遍接受的混凝土局部受压理论。此后，也开展了结构各部位、新型混凝土材料及不同荷载形式下的混凝土局部受压等领域的研究。比较有代表性的是钢管混凝土、高强混凝土、钢纤维混凝土、预应力混凝土、轻骨料混凝土和柱下桩基承台的局部受压研究等。上述研究大多直接或间接引用了前人的研究成果，尤其是局部受压提高系数基本上都是采用现行规范中的计算公式和计算方法，各国现行规范的局部受压提数也都以局压面积比的幂形式表述的。但国内的研究表明，混凝土局部受压提高系数不仅与局压面积比有关，还与受压板刚度、局部受压位置、试件尺寸、混凝土强度等因素有关。众所周知，建筑结构中构件的形状和受力是多种多样的，以往学者基于平截面或者钢垫板试验条件下得出的局压提高系数是否能直接适用于形状或者受力形式不同的构件，是一个值得探究的问题。关于局压问题，以下几方面值得进一步的研究：

（1）我国现行《混凝土规范》中对混凝土局部受压时的强度提高系数采用完全平方公式，《基础规范》中也沿用这一公式来计算混凝土的局部受压系数，结构设计的相关软件（探索者，Morgain等）在计算基础的局部受压提高系数时都是用这一公式，而这个公式是否可以直接适用于锥形基础是值得商榷的。

（2）以往对混凝土局部受压的研究大都是基于局部受压影响面平整情况下的研究，而针对局部受压影响面倾斜情况下的研究，尚无相关报道，当承压影响面倾斜时，现行多个计算软件均不考虑混凝土局部受压提高系数的提高。显然，基于局部受压影响面平整情况下的局压破坏试验结果得到的计算公式不能直接应用于局部受压影响面倾斜的情况，后者的局压提高系数应与承压面的倾斜程度有关，当局部受压影响面的倾斜角度不同时，套箍效应有所不同。

（3）国内外大量的试验研究表明，高强混凝土的局压强度提高系数远低于普通混凝土的局压强度提高系数。这与高强混凝土的脆性有关，标号越高，局压强度提高系数越小，而现有的局压提高系数公式中，并未反映出混凝土的标号对于局压强度提高系数的影响。

（4）国内外大量的研究都是基于轴心局压试验，而针对偏心荷载作用下的局部受压系数的研究，也都是直接采用轴心局压试验的结果，然而试验证明偏心距的大小对混凝土的局部受压破坏形态和机理是有影响的，那么对混凝土局部受压提高系数也可能会有影响，所以偏心局部受压下混凝土的局部受压破坏形态、破坏强度和提高系数也值得做进一步研究。

（5）已有试验研究都是通过钢垫板对试件进行加压，加载条件与工程实际有一定差别。Hawkins、Niyogi等学者的实验研究表明，钢板的刚度对混凝土局部受压强度是有影响的，而现有的计算公式也没有考虑到这一因素，有必要定量描述钢板的强度或刚度对局压系数的影响。

（6）对局压问题的研究较早，彼时计算机和测量技术相对落后，有必要采用高级数值模拟技术，对局压的相关问题进行仿真研究，从理论的另一方面对已有的试验现象、破坏机理和各强度理论的合理性做出力学解释；同时，针对工程实际中的特殊局压问题进行相关的数值模拟和试验研究。

参考文献

[1] 叶见曙、李国平.结构设计原理[M].第二版.北京：2005.

[2] 蔡绍怀.混凝土及钢筋混凝土的局部承压强度[J].土木工程学报，1963.9（6）

[3] 曹声远、杨熙坤、钮长仁.混凝土局部承压破坏与强度的试验研究.哈尔滨建筑工程学院学报，1980.1.

[4] J.Bauschinger.Versuche mit Quadern aus Naturstein[J].Mitteilungen，Mechanisch und Technischen Laboraatorium der Kgl.Technischen Hochschule（Munich）. BD.6，1876

[5] S.T.WASTI.On the Bearinng Capacity of a concrete capacity[J].Build.SCI.1969 VOL.4，pp.103-105

[6] Hawkins N M.The bearing strength of concrete for strip loading[J].Magazine of Concrete Reasearch，1970，22（71）：87～98

[7] 劉永颐、王传志等.混凝土和配筋混凝土的局部承压强度[J].建筑科学研究报告.中国建筑科学研究院，1982.25

[8] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京.中国建筑工业出版社，2010

[9] ACI 318-05. Building code requirements for structural concrete and commentary. Farmington Hills （MI），American Concrete Institute， Detroit， U.S.A.，2005

[10] CEB-FIP model code 1990. C.E.B. Bullentin dInformation N.203 （final draft）. Comité Euro-Internationaldu Béton， Lausanne， Switzerland， 1991.