混凝土剪切强度试验研究方法

混凝土抗剪性能的试验研究与分析引言：混凝土是建筑工程中常用的材料之一，具有良好的抗压性能。

然而，在某些应力施加条件下，如斜截面受到弯曲或剪切荷载时，混凝土的抗剪性能成为了关键。

1. 混凝土抗剪破坏机理的研究混凝土的抗剪破坏机理是研究混凝土抗剪性能的基础。

过去的研究表明，混凝土在受到剪切荷载时，会出现微裂缝的产生和扩展，最终导致破坏。

这些微裂缝的产生和扩展过程受到多种因素的影响，包括混凝土的抗拉性能、粗骨料的类型和形状等。

因此，对混凝土抗剪破坏机理的研究有助于我们更好地理解混凝土的受力行为。

2. 混凝土抗剪试验的方法和步骤为了研究混凝土的抗剪性能，需要进行一系列的试验。

常用的试验方法包括直剪试验和钢筋贯穿试验等。

直剪试验通过在混凝土试件上施加垂直和剪切力，来模拟实际的受力情况。

而钢筋贯穿试验则是在混凝土试件上预先埋入一根钢筋，然后施加剪切力，以观察混凝土的破坏形态和特点。

在进行试验前，需要制备混凝土试件，并在试验过程中进行数据采集和记录。

3. 混凝土抗剪试验的结果分析试验后的结果分析是研究混凝土抗剪性能的关键。

通过分析试验数据，可以得到混凝土的抗剪强度、应变等性能指标。

同时，还可以观察混凝土试件的破坏形态和特点。

例如，试验结果可能显示混凝土试件在受到剪切荷载后，会出现多个微裂缝，并且这些微裂缝会逐渐扩展，最终导致破坏。

通过对试验结果的分析，我们可以更好地了解混凝土的抗剪性能，并为实际工程中的设计和施工提供依据。

4. 混凝土抗剪性能的影响因素混凝土的抗剪性能受到多种因素的影响。

其中，混凝土本身的强度和性质是最重要的因素之一。

混凝土的抗剪强度与其抗压强度之间存在一定的关系，通常可以通过经验公式进行估算。

此外，细骨料的类型和粒度分布也会对混凝土的抗剪性能产生影响。

研究表明，使用形状均匀、颗粒多角的细骨料可以提高混凝土的抗剪强度。

除此之外，试验条件、加载速率和湿度等环境因素也会对混凝土抗剪性能产生影响。

结论：混凝土抗剪性能的试验研究是建筑材料领域的重要研究方向。

混凝土抗剪强度与剪切刚度的关系研究一、前言混凝土作为一种常用的建筑材料，在建筑工程中扮演着重要的角色。

其中，混凝土的抗剪强度和剪切刚度是混凝土力学性能的两个重要指标。

本文将从混凝土抗剪强度和剪切刚度的关系出发，探讨混凝土力学性能的影响因素以及优化方法。

二、混凝土抗剪强度的影响因素混凝土抗剪强度是指混凝土在受到剪应力时的抵抗能力。

其影响因素主要有以下几点：1. 混凝土配合比混凝土配合比直接影响混凝土的物理力学性能。

适当的水灰比和骨料粒径可以提高混凝土的抗剪强度。

2. 混凝土强度等级混凝土的强度等级是指混凝土在规定条件下的抗压强度。

强度等级越高，混凝土抗剪强度也越高。

3. 混凝土龄期混凝土龄期是指混凝土制作后的时间。

随着时间的延长，混凝土的抗剪强度会逐渐增强。

4. 骨料类型和质量骨料的类型和质量对混凝土的抗剪强度有重要影响。

优质的骨料可以提高混凝土的密实性和强度，从而提高抗剪强度。

5. 纤维添加剂纤维添加剂可以在混凝土中形成网状结构，提高混凝土抗剪强度。

三、混凝土剪切刚度的影响因素混凝土剪切刚度是指混凝土在受到剪应力时的刚度。

其影响因素主要有以下几点：1. 混凝土配合比与混凝土抗剪强度不同，混凝土的剪切刚度和水灰比呈现负相关关系。

在保证强度的前提下，适当降低水灰比可以提高混凝土的剪切刚度。

2. 混凝土强度等级与抗剪强度类似，混凝土的剪切刚度也与其强度等级相关。

强度等级越高，混凝土的剪切刚度也越高。

3. 骨料类型和质量骨料类型和质量对混凝土的剪切刚度同样有重要影响。

骨料粒径适中，光洁度好的骨料可以提高混凝土的剪切刚度。

4. 纤维添加剂纤维添加剂对混凝土的剪切刚度同样有一定的提高作用。

四、混凝土抗剪强度与剪切刚度的关系混凝土抗剪强度和剪切刚度是混凝土力学性能中的两个重要指标。

一般情况下，混凝土的抗剪强度和剪切刚度呈现正相关关系。

也就是说，抗剪强度越高，剪切刚度也越高。

这是因为混凝土的剪切刚度主要是由混凝土内部的骨料和水泥胶体组成的，而这些成分的强度和密实程度直接影响剪切刚度和抗剪强度。

混凝土抗剪强度和剪切变形的多尺度分析一、研究背景混凝土作为一种非常重要的建筑材料，在建筑工程中使用广泛，其抗剪强度和剪切变形的性能一直是研究的重点。

随着科技的进步，研究者们开始关注混凝土的多尺度特性，即不同尺度下混凝土的抗剪强度和剪切变形性能的变化规律。

二、研究内容1. 混凝土抗剪强度的多尺度分析混凝土的抗剪强度是指在剪切力作用下，混凝土产生破坏的最大剪应力。

在不同尺度下，混凝土的抗剪强度会发生变化，因此需要进行多尺度分析。

（1）微观尺度下的混凝土抗剪强度混凝土的微观结构是由水泥石、骨料和孔隙组成的复杂结构。

在微观尺度下，混凝土的抗剪强度受到水泥石中水化产物的形成、骨料与水泥石之间的相互作用、孔隙的形状和分布等因素的影响。

（2）中观尺度下的混凝土抗剪强度在中观尺度下，混凝土的抗剪强度受到混凝土的孔隙率、骨料形状、骨料直径、骨料配合比等因素的影响。

（3）宏观尺度下的混凝土抗剪强度在宏观尺度下，混凝土的抗剪强度受到混凝土的荷载类型、荷载大小、试件尺寸等因素的影响。

2. 混凝土剪切变形的多尺度分析混凝土的剪切变形是指在剪切力作用下，混凝土产生的剪应变。

在不同尺度下，混凝土的剪切变形会发生变化，因此需要进行多尺度分析。

（1）微观尺度下的混凝土剪切变形混凝土的微观结构是由水泥石、骨料和孔隙组成的复杂结构。

在微观尺度下，混凝土的剪切变形受到水泥石中水化产物的形成、骨料与水泥石之间的相互作用、孔隙的形状和分布等因素的影响。

（2）中观尺度下的混凝土剪切变形在中观尺度下，混凝土的剪切变形受到混凝土的孔隙率、骨料形状、骨料直径、骨料配合比等因素的影响。

（3）宏观尺度下的混凝土剪切变形在宏观尺度下，混凝土的剪切变形受到混凝土的荷载类型、荷载大小、试件尺寸等因素的影响。

三、研究方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的研究混凝土多尺度特性的方法。

通过建立混凝土的数学模型，模拟混凝土在不同尺度下的抗剪强度和剪切变形性能。

混凝土抗剪强度物理试验方法研究与理论分析崔万玺【摘要】在分析国内外混凝土结构设计规范和已有的混凝土抗剪强度研究成果的基础上,总结归纳了混凝土抗剪强度的各种常用试验方法及其相应的研究成果,并对各种试验方法的优缺点进行了分析与比较.【期刊名称】《赤峰学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(026)006【总页数】4页(P162-165)【关键词】混凝土抗剪强度;试验方法【作者】崔万玺【作者单位】赤峰学院初等教育学院,内蒙古赤峰,024000【正文语种】中文【中图分类】TU375.2在结构设计规范的不断发展中，混凝土力学指标中抗压、抗拉强度与混凝土强度等级的定量关系，已进行了大量研究，在国际范围内观点也都较为一致[2].但是对于同样为混凝土基本力学指标之一的混凝土抗剪强度，国内外大部分规范并未给出相应的抗剪强度设计指标，所做的研究与试验工作都很有限，而且得出的结论之间的差别也很大，任何一种试验都没有得到广泛的认同.本文总结归纳了混凝土抗剪强度的各种常用试验方法及其相应的研究成果,论述这些方法的力学原理并对各种试验方法的优缺点进行了分析与比较.1.1 矩形短梁直接剪切法Morsch提出的矩形短梁直接剪切法[3]，因其简单、直观，成为至今最常用的试验方法.试验中，在两端支承试件，通过传压板向跨中施加荷载，直至试件破坏，如图1所示.试件的有限元分析结果表明，在此试验中，试件破坏剪切面上的剪应力分布不均匀，存在同一数量级的竖向正应力σy，局部处σy超过τxy的一倍.考虑到荷载下和支座上的钢垫板对试件的横向摩擦约束也有利于承载力的提高，故认为此类试件的剪切面应力状态与纯剪应力有较大差别，测得的强度不是混凝土的纯剪强度.混凝土的抗剪强度取为最大剪力在剪切面上的平均剪应力，这类试验给出的混凝土抗剪强度最高，一般可达到：式中，fpr——混凝土的棱柱体抗压强度，N/mm2；ft——混凝土的轴心抗拉强度，N/mm2.根据试验结果，Morsch提出了混凝土纯剪强度的计算公式：式中，k——修正系数，可取为0.75，即上式可修正为：1.2 Z形柱单剪面试验法Mattock提出的Z形柱单剪面试验，是在Z形试件的两端施加集中荷载，在两个缺口之间形成单个剪切面，如图2所示[12].试件的有限元分析结果表明，在此试验中，剪应力τ的分布比较均匀，但水平向的正应力σx与剪应力为同一数量级，且有拉有压；而竖向正应力σy值很大，达剪应力的3～8倍，故这一应力状态与“纯剪”相差甚远，“剪切面”并非纯剪破坏[2].试件的抗剪强度按剪切破坏面的平均剪应力取值式中，A——两缺口之间的面积，mm2.Mattock根据试验结果给出的混凝土抗剪强度计算公式为：式中，fcy——混凝土的圆柱体抗压强度，N/mm2.因为0.12fcy≈1.5ft（ft为混凝土轴心抗拉强度，N/mm2），即混凝土抗剪（纯剪）强度与其轴心抗拉强度的关系式可表达为：1.3 缺口梁四点受力剪切法由Iosipescuj建议的缺口梁四点受力剪切试验[4]，其试件形式和加载方法如图3所示.在此试验中，试件的中间区段，剪力为常数，中间截面的弯矩为零，试件的中间有一个大缺口，中央截面的净面积很小.荷载作用下，试件沿此截面破坏.试件的有限元分析结果表明，截面中部的剪应力分布均匀，水平正应力σx因截面弯矩而为零，竖向正应力σy因截面离荷载和支座较远而数值很小，约为剪应力的12%～25%，即接近纯剪应力状态[9].混凝土的抗剪强度取为试件破坏时此截面上的平均剪应力式中，Anet——中央截面的净面积，mm2.因试件破坏部位的应力分布接近纯剪应力状态，由此得出的混凝土抗剪（纯剪）强度约与其轴心抗拉强度等值，即试验结果表明，试件首先从剪应力为零的缺口凹角的尖端出现裂缝，而并非从剪应力最大的缺口截面中部出现裂缝.裂缝出现后，迅速贯穿全截面，将试件断裂成两半.由于试件的破坏不是受剪应力控制，而是因为缺口附近存在严重的应力集中，故此法应用较少.1.4 薄壁圆筒受扭试验法薄壁圆筒受扭试验法是Bresler最早提出并使用的[6]，其采用的试件形式和加载方法如图4.圆筒试件破坏时，一般只有一条螺旋形裂缝，与纵轴线形成450，恰好与主拉应力方向相垂直，而且裂缝的宏观特征与混凝土受拉破坏一致，这表明在纯剪应力状态下，混凝土的破坏受主拉应力控制.薄壁圆筒在扭矩T作用下，若薄壁很薄（t=D,h）时，接近于理想的纯剪应力状态.假设剪应力沿截面均匀分布，可按试件的破坏扭矩Tmax计算混凝土的抗剪强度的试验值：Bresler根据试验结果，建议剪应力τp与正应力σ之间的关系式为则当正应力σ＝0时，抗剪强度的取值公式为因为0.08fcy≈1.0ft，即混凝土抗剪（纯剪）强度与其轴心抗拉强度等值，其关系式可表达为：1.5 圆柱试件纯扭试验法文献[7]中的试验，采用了特制的试件.试件采用的混凝土是28d的设计抗压强度分别是38MPa及62MPa，10cm直径及40.6cm长度的圆柱体作为扭转试验的时间，以确定混凝土的抗剪强度和静力剪切模量，10cm直径及20cm高度的圆柱体作为试件以确定混凝土的抗压强度及静力弹性模量.这个试验中采用MTS 50T轴力和64T-cm抗扭材料试验机，以确定混凝土的抗剪强度及其静力剪切模量，采用特制的应变仪量测剪切变形，以确定混凝土的剪切模量.单轴抗压试验则采用MTS100T轴向拉压材料试验设备.根据Rankine最大应力理论、Coulomb内部摩擦理论、Mohr理论或修正Cowan理论，抗剪强度在组合应力下的混凝土破坏中是视为一个重要原因的.圆柱体试件在纯扭作用下是斜拉破坏，抗扭强度等于抗拉强度.抗剪强度有下列扭转公式算出:式中，T是所加扭矩；r为圆柱体半径；J为极惯性矩.文献[7]中也同时根据非线性剪应力分布，计算了非线性抗剪强度τ'，计算非线性抗剪强度是采用了Khaloo和A-hamd所建议的剪切非线性系数K:式中，fc'是混凝土抗压强度.考虑混凝土塑性之后求得的塑性抗剪强度为：此文作者由抗剪强度与抗压强度之比，得到其平均值界于0.095～0.121之间，其值视混凝土强度和是否考虑混凝土的塑性而定.因为0.08fcy≈1.0ft，所以混凝土抗剪（纯剪）强度与其轴心抗拉强度其关系为τ≈(1.19～1.51)ft.1.6 二轴拉/压应力试验法在二轴拉/压应力试验中，对立方体或板式试件施加二轴拉/压应力，即σ1=-σ3，σ2=0，如图5所示[4].试验中得到的应力状态与450方向的纯剪应力状态等效，作出应力圆得到：根据已有试验结果可知，用此法得到的混凝土抗剪强度约与其轴心抗拉强度相等. 1.7 等高变宽梁四点受力剪切法针对缺口梁四点受力剪切试验中，缺口附近存在严重的应力集中问题，文献 [8-9]提出了一种相对合理的试验方法——等高变宽梁四点受力剪切法.在此试验中，试件的支座和荷载位置同上述缺口梁，但设计成矩形截面的等高变宽外形，如图6所示.试件中间的纯剪区无缺口，避免了应力集中；厚度减薄又保证在此处会发生剪切破坏.经有限元分析得到试件中间截面的应力分布为：截面中部的剪应力τxy分布均匀，与全截面平均剪应力τ之比为1.22～1.28；竖向正应力|σy|≤0.1τ，水平正应力|σx|≤0.2τ，对混凝土的抗剪强度影响很小，故试件中段的试验区接近于纯剪应力状态.实际上试件的破坏是从剪切面的某一部位开始的，所以抗剪强度值应该由破坏发生处的剪应力决定，而不应由剪切破坏面的平均剪应力决定.从等高变宽梁试件应力分析结果得知，跨中截面中部剪应力与全截面平均剪应力的比值为1.22～1.28.考虑到试件破坏时出现少量塑性变形，抗剪强度取为跨中截面平均剪应力的1.2倍，故混凝土的抗剪强度试验值的计算式为：式中，Vmax——试件破坏时中间截面的最大剪力，N；A——试件中间截面面积，mm2.文献[8-9]在试验结果的基础上，经回归分析，得出混凝土抗剪强度与立方体抗压强度的关系如下：式中，fcu——混凝土立方体抗压强度（试件边长150mm），N/mm2.抗剪强度的试验值与理论值的比值平均为1.003，均方差为0.145.为了便于比较，根据试验结果,文中还给出了混凝土轴心抗拉强度的理论曲线，从两者的理论计算式得到其比值为：当混凝土取常用的强度等级C20～C50时，比值τp/ft＝1.13～1.04，且随着强度的提高而逐渐减小，即抗剪强度和轴心抗拉强度渐趋一致.因此，文献[8-9]的研究结论是，混凝土的抗剪强度与轴心抗拉强度值近似相等，这与薄壁圆筒受扭、二轴拉/压应力等试验所得结论相一致.1.8 水工混凝土试验规程的试验方法DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》[11]建议用混凝土剪切试验仪测定混凝土及混凝土与其他材料结合面的抗剪强度.该方法在试件剪切过程中，用恒定装置使法向应力保持恒定.双面直接剪切法简单易行，因此很多特殊混凝土的试验在确定抗剪强度的时候，鉴于规范中没有专门针对混凝土抗剪性能的试验方法作出规定，就会考虑采用此方法来进行试验.但是，此试验方法实质是混凝土双向受力破坏，与混凝土的纯剪状态还是有差别的.混凝土抗剪强度表达式：式中，τ——极限抗剪强度，MPa；σ——法向应力，MPa；f'——摩擦系数；c'——粘聚力，MPa.1.9 Mohr强度理论法一个可靠的表示混凝土纯剪强度方法，只能从复杂应力状态下的试验结果获得.这类试验的方法虽多，但最广泛地被采用的复杂应力试验方法是三轴受压试验，并按莫尔(Mohr)理论来分析其试验结果.图7是根据莫尔理论分析混凝土三轴受压试验资料所得的破坏包络线结果[3].按莫尔强度理论，各个主应力圆的包络线所代表的剪应力与正应力关系，就是混凝土内剪切滑移面上相应正应力下抗剪强度的变化.包络线与纵轴相交点处的剪应力值为混凝土的纯剪强度，或受纯剪力时的抗剪强度τ0.在具体试验情况下，混凝土的纯剪强度约为其圆柱体抗压强度的20%左右.常用混凝土等级情况下，混凝土的纯剪强度约为其圆柱体抗压强度的1/6～1/4，其平均值为轴拉强度的2.0倍左右.也有人建议采用与（3-2）及（3-3）式相似的经验关系来表示纯剪强度：式中，fc——混凝土的圆柱体抗压强度，N/mm2；ft——混凝土的轴心抗拉强度，N/mm2.为了在数值上便于分析比较，这里各种试验得出来的抗剪强度试验值统一都与混凝土的轴心抗拉强度作比较.具体关系式列于下表1.总结上述试验方法，可以得到以下几点结论：（1）薄壁圆筒受扭试验法、二轴拉/压应力试验法建立了（接近）纯剪的应力状态，可以得到最理想的纯剪状态下的试验数据.但是，这两种方法要求具备技术复杂的专用试验设备，在一般的实验室难以实现，很难广泛应用到具体的工程实践中去.（2）缺口梁四点受力剪切法也可以接近纯剪状态，但是试件的破坏不是受剪应力控制，而是因为缺口附近存在严重的应力集中，故此法应用较少，只有个别研究者采用这种方法.（3）矩形梁直接剪切法及Z形柱单剪面试验法因其简单、直观而应用较多，其相应的试验结果也较多，但是此类试件的剪切面应力状态与纯剪应力有较大差别，测得的强度不是混凝土的纯剪强度，即使是对其进行改进的方案也都不是很理想.（4）圆柱试件纯扭试验法是理论上很接近纯剪状态的一种试验方法，但也是需要复杂的试验设备，一般实验室无法实现.（5）水工混凝土试验规程的试验方法，平台操作简单，易于在实验室实现，但是此试验方法实质是混凝土双向受力破坏，与混凝土的纯剪状态有一定差别.根据前面对各类抗剪试验方法的分析可知：凡是试件的试验区段和破坏部位的应力分布接近纯剪应力状态时，混凝土抗剪（纯剪）强度约与其轴心抗拉强度等值，破坏形态也一致，如薄壁圆筒受扭试验法、二轴拉/压应力试验法以及等高变宽梁四点受力剪切法；而当试件的破坏剪面上存在较大的正压应力时，混凝土的抗剪强度得到提高，所得试验抗剪强度大大超过混凝土的抗拉强度，已不能代表混凝土的纯剪强度，如矩形梁直接剪切法及Z形柱单剪面试验法等.等高变宽梁四点受力剪切法在缺口梁四点受力剪切法的基础上，解决了缺口附近存在严重的应力集中问题，从试验结果来看，数据也是很理想的，认为是一种较为合理的方法，推荐采用.〔1〕DL/T 5057-1996《水工混凝土结构设计规范》[S].北京:中国电力出版社,1997.〔2〕《水工混凝土结构设计规范》修订专题研究报告WHU-15[R].关于规范主编单位提出的有关问题的说明.武汉大学土木建筑工程学院，2007.〔3〕王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1985. 〔4〕过镇海.混凝土的强度和变形-试验基础和本构关系[M].北京:清华大学出版社,1997.〔5〕韩菊红,石国柱,丁自强.混凝土剪切强度指标研究[J].郑州大学学报,2004（8）. 〔6〕Bresler,B.,and Pister,K.S.Strength of Concrete under Combined Stresses[J].Journal of ACI,Sept.1958: 321-346.〔7〕施士昇.混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量[J].土木工程学报,1999(4):47-52.〔8〕张琦.混凝土抗剪强度和剪切变形的研究[硕士论文][D].北京:清华大学,1987. 〔9〕张琦,过镇海.混凝土抗剪强度和剪切变形的研究[J].建筑结构学报,1992,13(5). 〔10〕ISO 2394:1998.General principles on reliability forstructures[S].InternationalStandard,Second edition, 1998-06-01.〔11〕DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》[S].北京:中国电力出版社,2002. 〔12〕闫国新,张雷顺,张晓磊.混凝土本体剪切强度试验研究与理论分析[J].中国农村水电及电气化,2006(4):54-57.〔13〕Mattock,H.Shear Transfer in Reinfouced Concrete[J]. 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