抗壓、抗拉
關注創建者：堅韌的鹵蛋 創建時間：2018-07-29
抗壓、抗拉的實例教程
混凝土單軸受拉應力應變曲線依據附錄C中的C.2.3節確定，計算公式為：
混凝土單軸受壓應力應變曲線依據附錄C中的C.2.4節確定，計算公式為：
根據《混凝土結構設計標準》中規定，混凝土本構關系中的單軸抗壓/抗拉強度代表值可根據實際結構分析需要分別選取軸心抗壓/抗拉強度標準值、強度設計值、強度平均值。
根據4.1.3節，軸心抗壓強度及軸心抗拉強度標準值按下式計算：
其中，棱柱強度與立方強度之比值αc1：對C50及以下普通混凝土取0. 76；對高強混凝土C80取0. 82，中間按線性插值；C40以上的混凝土考慮脆性折減系數αc2：對C40 取1.00，對高強混凝土C80 取0.87，中間按線性插值。
根據4.1.4節，混凝土的強度設計值由強度標準值除以混凝土材料分項系數1.40確定。
根據附錄C.2.1節，混凝土的抗壓強度及抗拉強度的平均值由下列公式計算：
其中混凝土強度的變異系數依據附錄C.2.1節中的表2取用。
混凝土材料的彈性模量根據4.1.5節以其強度等級值按照下列公式計算：
由附錄C.2.2節，混凝土本構模型適用于混凝土強度等級C20~C80；混凝土質量密度2200kg/m3~2400 kg/m3;正常溫度、濕度環境；正常加載速度等條件。現有混凝土的強度和應力-應變本構關系大都是基于正常環境下的短期試驗結果。
展開 圖9 孔隙所占的水泥砂漿體積比對混凝土等效彈性模量的影響
結論
(1)基于Digimat，將混凝土作為由水泥砂漿、粗骨料、界面、孔隙和微裂縫組成的多相復合材料，將含有孔隙和微裂縫的水泥砂漿作為基體，粗骨料和其包裹粗骨料的界面看作是球形顆粒，作為夾雜相，建立了混凝土模型，分別計算出等效抗壓和抗拉彈性模量值。結果表明，模型預測值與試驗測定值較為吻合。
(2)隨著粗骨料體積比的增加混凝土的等效彈性模量成指數增加；在粗骨料體積比相同的情況下，混凝土的抗壓彈性模量大于抗拉彈性模量。另外，粗骨料體積百分比在40%至70%之間時，該模型計算值與試驗測定值相對誤差較小，而大壩混凝土粗骨料體積百分比一般在該區間，故為預測大壩混凝土等效彈性模型提供了較為合理的參考值。
(3)各組相力學特性對混凝土的等效彈性模量均有較大影響。隨著水泥砂漿彈性模量的增加混凝土等效彈性模量隨之增加；隨著粗骨料縱橫比的增加混凝土等效彈性模量呈上升趨勢；孔隙所占水泥砂漿體積比增加混凝土等效彈性模量減小。
(4)通過計算表明該模型在一定程度上能夠反映出細觀上的粗骨料所占不同體積百分比對混凝土抗拉和抗壓彈性模量的影響以及分析了水泥砂漿彈性模量、粗骨料縱橫比和孔隙所占水泥砂漿體積比對混凝土彈性模量的影響。此模型既可以用于預測混凝土的抗壓和抗拉彈性模量，也能優化混凝土的材料性能。
展開 圖9 孔隙所占的水泥砂漿體積比對混凝土等效彈性模量的影響
結論
(1)基于Digimat，將混凝土作為由水泥砂漿、粗骨料、界面、孔隙和微裂縫組成的多相復合材料，將含有孔隙和微裂縫的水泥砂漿作為基體，粗骨料和其包裹粗骨料的界面看作是球形顆粒，作為夾雜相，建立了混凝土模型，分別計算出等效抗壓和抗拉彈性模量值。結果表明，模型預測值與試驗測定值較為吻合。
(2)隨著粗骨料體積比的增加混凝土的等效彈性模量成指數增加；在粗骨料體積比相同的情況下，混凝土的抗壓彈性模量大于抗拉彈性模量。另外，粗骨料體積百分比在40%至70%之間時，該模型計算值與試驗測定值相對誤差較小，而大壩混凝土粗骨料體積百分比一般在該區間，故為預測大壩混凝土等效彈性模型提供了較為合理的參考值。
(3)各組相力學特性對混凝土的等效彈性模量均有較大影響。隨著水泥砂漿彈性模量的增加混凝土等效彈性模量隨之增加；隨著粗骨料縱橫比的增加混凝土等效彈性模量呈上升趨勢；孔隙所占水泥砂漿體積比增加混凝土等效彈性模量減小。
(4)通過計算表明該模型在一定程度上能夠反映出細觀上的粗骨料所占不同體積百分比對混凝土抗拉和抗壓彈性模量的影響以及分析了水泥砂漿彈性模量、粗骨料縱橫比和孔隙所占水泥砂漿體積比對混凝土彈性模量的影響。此模型既可以用于預測混凝土的抗壓和抗拉彈性模量，也能優化混凝土的材料性能。
展開 Zhu (2008) <Rockburst prediction analysis based on v-SVR algorithm>選擇巷道壁巖石的最大切向應力、巖石單軸抗拉強度、巖石單軸抗壓強度、彈性能量指數作為參數，提出了基于v-SVR（支持向量回歸support vector regression）的巖爆預測模型方法。結果顯示該方法比灰色理論和經典的SVR更準確，與GA-BP神經網絡算法相似。
Ding (2006) <The Research of Prediction Technology of Rock Burst> 根據巖爆問題和聲發射技術的發展，總結了聲發射和巖石的特征參數，采用由簡單的BP網絡組成的多神經網絡分類器，按(順序)合成參數來預測巖爆。Yang (2008) <Prediction Forecast of Rockburst Based on RBF Neural Network> 利用神經網絡工具箱RBF網絡進行巖爆預測。Wei (2008) <Combined optimization model of rock-burst prediction based on chaos optimization and BP neural networks> 將混沌優化算法與BP神經網絡算法相結合，預測淮北礦務局石臺煤礦的巖爆。
Song (2007) <Study on rockburst intensity prediction method based on gray relational analysis theory> 選擇原位應力值、巖石抗壓和抗拉強度、巖石彈性能量指數等作為巖爆控制參數，采用灰色關系分析理論預測地下巖石工程是否會發生巖爆以及巖爆強度的大小。
展開 綜合力學性能低，抗壓強度比抗拉強度高約3～4倍。吸振性好。彈性模量較低。
應用：形狀可以復雜，結構允許不對稱。有箱體性、筒性等，例如，用于發動機的汽缸體、筒套、各種機床床身、底座、平板、平臺等鑄件。
二、球墨鑄鐵件
流動性與灰鑄鐵相近；體收縮比灰鑄鐵大，而線收縮小，易形成縮孔、疏松。綜合力學性能較高，彈性模量比灰鑄鐵高；抗磨性好；沖擊韌性、疲勞強度較好。消振能力比灰鑄鐵低。
應用：一般多設計成均勻壁厚；對于厚大斷面件，可采用空心結構，如球墨鑄鐵曲軸軸頸部分。
三、可鍛鑄鐵件
流動性比灰鑄鐵差；體收縮很大， 退火后，最終線收縮很小。退火前， 很脆，毛坯易損壞。綜合力學性能稍次于球墨鑄鐵，沖擊韌性比灰鑄鐵大3～4倍。
應用：由于鑄態要求白口，一般是薄壁均勻件，常用厚度為5～16mm。為增加其剛性，截面形狀多為工字形、丁字形或箱形，避免十字形截面；零件突出部分應用肋條加固。
四、鑄鋼件
流動性差，體收縮、線收縮和裂紋敏感性都較大。綜合力學性能高；抗壓強度與抗拉強度幾乎相等。吸振性差。
應用：結構應具有最少的熱節點，并創造順序凝固的條件。相鄰壁的連接和過渡更應圓滑；鑄件截面應采用箱形和槽形等近似封閉狀的結構；一些水平壁應改成斜壁或波浪形； 整體壁改成帶窗口的壁，窗口形狀最好為橢圓形或圓形，窗口邊緣須做出凸臺，以減少產生裂紋的可能。
五、錫青銅和磷青銅件
鑄造性能類似灰鑄鐵。但結晶范圍大，易產生縮孔；流動性差；高溫性能差，易脆。強度隨截面增大而顯著下降。耐磨性好。
應用：壁厚不得過大；零件突出部分應用較薄的加強肋加固，以免熱裂；形狀不易太復雜。
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混凝土單軸受拉應力應變曲線依據附錄C中的C.2.3節確定，計算公式為：
混凝土單軸受壓應力應變曲線依據附錄C中的C.2.4節確定，計算公式為：
根據《混凝土結構設計標準》中規定，混凝土本構關系中的單軸抗壓/抗拉強度代表值可根據實際結構分析需要分別選取軸心抗壓/抗拉強度標準值
三點彎曲試驗
對于大多數復合材料，抗壓強度低于抗拉強度，試樣將在壓縮表面失效。這種壓縮破壞與單個纖維的局部屈曲（微屈曲）有關。
四點彎曲試驗
（ASTM D6272）
四點彎曲試驗提供了彎曲彈性模量、彎曲應力和彎曲應力的值。該試驗與三點彎曲試驗非常相似。主要區別在于，由于增加了第四個鼻梁用于加載，梁的兩個加載點之間的部分被置于最大應力下。
混凝土結構抗壓強度高，而抗拉強度大約只有其十分之一，在受到豎向荷載（包括自重）作用下，梁下部會產生拉應力，上部產生壓應力，而由于其抗拉強度低，因此很小的荷載即可導致梁下部開裂，從而使其失去承載力。
在垂向載荷的作用下，錐形彈簧的橡膠部分主要發生剪切變形，出現局部受載不均勻和受拉情況。由于橡膠部分抗壓但不抗拉，橡膠部分受拉部位容易出現早期開膠和裂紋，從而導致錐形彈簧的疲勞壽命縮短，影響其使用。
圖 17 梁與拱組合鋼橋
圖 18 梁與懸吊系統組合鋼橋
圖 19 梁與懸索+斜拉索組合鋼橋
圖 20 梁與斜拉索組合鋼橋
值得一提的是，鋼-混凝土組合結構橋梁，通過兩種材料的結合，可充分發揮混凝土抗壓和鋼材抗拉性能上的優勢，避免混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩。
表2 混凝土材料參數
注：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度；fc為抗壓強度；ft為抗拉強度。
1.3試件有限元模型與邊界條件
拼接縫處采用“外高內低”;的“Z”;形拼縫，拼縫處填充彈性密封膠。密封膠材料模型選自文獻[2]提到的Reduced Polynomial材料模型參數替代[2],見表3。
一維混凝土本構模型采用規范指定的單軸本構模型,能反映混凝土滯回、剛度退化和強度退化等特性，其軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按《混凝土結構設計規范》表4.1.3采用。混凝土單軸受拉的應力-應變曲線方程按附錄C公式C.2.3-1~C.2.3-4計算。
混凝土材料進入塑性狀態后剛度開始降低。
彈性階段分析：直接通過查看有限元模型分析的Mises應力，通過與材料的抗壓、抗拉應力值進行比較，來判斷材料是否安全。
3.4 荷載加載
模型中設置兩個荷載步：第一個荷載步施加1.0倍支座反力，支座反力大小為Rvnk=-66.11kN，Rhnk=16.73kN，Hnk=1.55kN，考察在正常使用工況下該節點的應力、位移情況。
綜合力學性能低，抗壓強度比抗拉強度高約3～4倍。吸振性好。彈性模量較低。
應用：形狀可以復雜，結構允許不對稱。有箱體性、筒性等，例如，用于發動機的汽缸體、筒套、各種機床床身、底座、平板、平臺等鑄件。
二、球墨鑄鐵件
流動性與灰鑄鐵相近；體收縮比灰鑄鐵大，而線收縮小，易形成縮孔、疏松。
眾所周知，混凝土雖然具有較強的抗壓性能但其抗拉性能非常差，必須要配置鋼筋才能具有較強的抗拉、抗折、抗剪性能。混凝土裂縫作為一種施工質量通病嚴重的影響著鋼筋混凝土結構的壽命，因為鋼筋只有完全埋藏在混凝土保護層中才能避免被水和氧氣等其他化學介質侵蝕。這樣，只有嚴格控制混凝土裂縫，對于大體積混凝土來說關鍵是控制混凝土溫度裂縫，才能使得鋼筋混凝土構筑物具有較強的穩定性、承重和抗滲性能。
