在四立柱刚性液压伺服试验机上开发
                 混凝土二轴本构全曲线测试功能
                             张文翠　　张富德
              （清华大学水电系高坝大型结构实验室 北京100084）

摘要：四立柱刚性液压伺服试验机自1994年1月投入运行以来，至今仍是国内一台高刚度、高精度真三轴多功能的混凝土和岩石类脆性材料的试验机，为校内外兄弟单位开展了各种科研试验服务，近几年又开发了多项新功能试验，为兄弟单位的多项国际学科前沿性试验研究提供了技术服务。本文介绍一个典型实例，上海同济大学建筑工程系国家杰出青年科学基金资助研究项目希望利用本设备进行“高性能混凝土二轴压（拉）压全曲线测试”，我们为了满足用户的要求，研究开发二轴本构全曲线测试功能，从测试的硬件设备到软件开发，经过研发与改进，进行了二轴受力下高性能混凝土本构全曲线测试，得到了完整的二轴受力应力~应变全曲线，满足了用户的需要。
1 引言
    四立柱刚性液压伺服试验机是引进INSTRON 8506试验系统作为竖轴主机、国内配套水平两轴封闭加载框架及加载配件等组成，采用全数字化控制系统，具有高精度，可以实现单轴状态下的变形全过程曲线测试，也可以实现二轴和三轴的拉压组合强度试验。
混凝土是土木和水电工程中应用最为广泛的建筑材料，在混凝土结构理论中，试验研究起着关键性作用，但仅仅依靠强度参数不能弄清混凝土的本构性质，因而测量混凝土试件的全曲线引起了工程科技界的极大重视。下面介绍二轴本构全曲线的测试系统和主要成果。
2 试验装置与控制系统
2.1 二轴加载试验装置
    传统的二轴加载试验一般采用应力比例控制加载，原因是应力控制加载系统构造比较简单，不需要液压伺服控制加载系统，在应力比例加载过程中，试件和加载板之间不论设置怎样的垫层，都不会影响加载板到试件的荷载传递，也不会影响两个轴之间的应力比，然而，应力控制加载的缺陷是很明显的，应力控制加载只有在峰值点之前才是稳定的，在峰值点之后就不再保持稳定，以往试验表明：到达峰值点后试件会发生持续变形并且很快破坏，利用应力控制加载机制，很难测得应力应变曲线的下降段，而对于混凝土这种脆性软化材料而言，应力应变曲线的下降段具有非常重要的基础理论和工程实用意义。
    为了测得二轴加载应力应变曲线的下降段，本试验采用四立柱刚性液压试验机的分离式双向加载系统，竖向为四立柱刚架，水平为自制封闭加力框架，两个方向互不干扰。在竖向和水平方向上分别安装高精度的应变测量装置（即引伸仪）并将测量的应变实时传回试验机的控制系统，构成以应变为控制参数的闭环控制加载系统，实现各自方向上的应变控制和输出。根据设计应变比和加载速率计算出各个时刻的控制应变，再以加载控制文件的形式输入试验机的控制系统，就可以实现二轴应变比例加载，二轴加载试验见照片1。

    试验的目的是要获得混凝土板式试件的二轴应力应变全曲线，这就决定了试验只能采用应变控制加载方式，试验中实际采用的是应变比例控制加载，也就是两个加载方向应变保持固定比例，并作为控制参数单调增加，两个方向上的应力（或载荷）作为测量参数同时记录输出。这种控制加载方式需要借助大型伺服试验机，采用闭环控制加载系统，这正是本试验机的优势。
2.2控制软件
    二轴试验需要相应的软件系统支持，购买本试验机主机时，考虑到这种需求，引进了多轴结构试验控制软件，即RS—FLAPS软件，但该软件不太成熟，在各国的用户非常少，国内我们是第一家，我们通过逐条阅读分析相关说明书，一步一步的试用，探索，发现按两个加载方向上的控制应变比和加载速率计算出各个时刻的控制应变，编制成辅助加载文件，连接输入到RS—FLAPS软件中，这之后使用RS—FLAPS软件控制就可以实现二轴按应变比例加载，可以测得板式试件二向加载的应力应变全曲线。
3二轴受压试验结果
    试验中采用150×150×50mm板式试件，取四立柱刚性试验机为主控制轴，其控制应变扣除减摩层影响后即为ε1 ，测得荷载除以试件加载面面积就是σ1 ，取自制水平加力框架为第二控制轴，其第二控制应变与主控制轴应变同步变化并保持设计比例，此轴控制应变扣除减摩层影响后即为ε2，测得荷载除以试件加载面面积就是σ2。二轴受压试验按照名义应变（控制应变，包括减摩层的变形）比分为3组：1:1 、1:0.4 、和1:0.1。在上述应变比例控制加载的条件下，测得了试件在两个受压方向上包含上升段和下降段的应力应变全曲线，如图1。

    从试验结果可以看出：应变控制加载可以得到二轴加压情况下两个加载轴方向上包含上升段和下降段的应力应变全曲线，而以往的试验机用应力控制加载（不能实现应变控制加载）只能得到上升段的应力应变曲线；在应力应变曲线的上升段和峰值区域，不等轴加载情况下两个加载轴得到的应力应变曲线有很大的区别；不同应变比加载条件下主轴测得的应力应变曲线和单轴应力应变曲线形状相似
4 二轴拉压试验结果
    试验中仍采用150×150×50mm板式试件。取四立柱刚性试验机为主控制轴施加拉力，其控制应变为ε1，测得拉力荷载除以试件加载面面积就是σ1，取自制水平加力框架为第二控制轴施加压力，其控制应变与主控制轴应变同步变化并保持设计比例，此轴控制应变扣除减摩层影响应即为ε2，测得荷载除以试件加载面面积就是σ2。二轴拉压试验按照名义应变（控制应变，包含减摩层变形）比分为3组：-2:1 、-4:1 、-6:1。在上述应变比例控制加载的条件下，测得了试件在两个方向上的应力应变全曲线，如图2。

    从试验得到的二轴拉压全曲线可以看出：受拉加载方向可以测得包含上升段和下降段的全曲线，而受压加载方向测得的应力应变曲线尚未进入非线性区段试件就已经断裂破坏，受压曲线基本呈线性上升趋势；受拉加载方向测得的全曲线与单向受拉加载下测得的全曲线形状类似；由曲线可以看出试件从初始加载到破坏的过程中受压损伤不很明显，主要发生受拉损伤破坏。
主要参考文献
[1]任晓丹．混凝土随机损伤本构关系试验研究．上海：同济大学工学硕士学位论文，指导老师：李杰，2006年6月．
[2]李杰，任晓丹，杨卫忠.混凝土二维本构关系试验研究.土木工程学报.2007年第4期：6—12