三向应力状态下混凝土动态强度和变形特性研究

三向应力状态下混凝土动态强度和变形特性研究 三向应力状态下混凝土动态强度和变形特 性研究 第24卷第3期Vo1.24No.3 2007年3月Mar.2007 工程 ENGINEERING 力学 MECHANICS58 文章编号1000-4750(2007)03-0058-07 三向应力状态下混凝土动态强度和变形特性研究 闫东明,一,林皋,徐平2 f1.大连理工大学土木水利学院抗震研究所,大连,辽宁I16024:2.郑州大学环境与水利学院,郑州,河南450000 摘要:利用大连理工大学自行研制,改造的大型液压伺服静动三轴试验系统对立方体混凝土试件进行恒定围压 下的动态三向压缩试验,侧向恒定围压分别为OMPa,4MPa,8MPa,12MPa,16MPa五个级别,应变速率分别 为10../s,104/s和100/s三个量级,系统研究了不同恒定围压和应变速率对混凝土强度和变形特性的影响试验 表明:随着围压的增加,混凝土三轴极限抗压强度有明显的增强趋势; 峰值应力处的应变值增加幅度显着.随着 应变速率的增加,围压较低时,混凝土动态强度的增加趋势明显;围压 较高时,动态强度随应变速率增加而增加 的趋势减弱,特别是当围压值超过混凝土的单轴强度时,可以不考虑 混凝土应变速率对混凝土强度的影响.得出 了混凝土在不同应变速率以及不同恒定围压下的应力应变全过程 曲线. 关键词:混凝土;应变速率;三向受力状态;极限强度;变形特性;全曲线 中图分类号:TU502文献标识码:A DYNAMICSTRENGTHANDDEFoRTIoNoFCoNCRETEIN TRIAXIALSTRIESSSTATES YANDong.ming,一,L/NGaol,XUPing (1.SchoolofCivilandHydraulieEngineering,DalianuniVefsofTechnology,Liaoning116024,China; 2.SchoolofEnvironmentandWaterconservancy,ZhengrdaouUniversity,Zhengzhou,Henan,450001.China) Abstract:Dynamiccompressivetestsoncubicspecimenswerecarriedoutonaservo-hydraulicmultiaxial testingmachinedesignedandmanufacturedatDalianUniversityofTechnology,China.Thelateralconfining pressurewaskeptatconstantvaluesof01VIPa,4MPa,8? a,121VIPa,161VIPa,respectivelyandthestrainrates were10,/s,104/sand10”3/s, respectively.Theeffectofstrainrateandconfiningpressureonthestrengthand deformationofconcretewereinvestigatedsystematically.Fromthetestresultsitwasrevealedthattheultimate strengthincreasedsignificantlyastheconfiningpressureincreased,andtheincreaseinswainatpeakstresswas evenmorepronounced.Atlowerconfiningpressure,theultimatestrengthincreaseddefinitelywiththeincreasing strainrate,butthestrengthincrementtendedtobecomesmallerathigherconfinement;particularlywhenthe confiningpressureswashigherthanthequasi-staticuniaxialcompressivestrength,therate-dependenteffect tendedtodiminish.Thecompletestress-strainCtLrvesatdifferentswainrateswereobtained. Keywords:concrete;strainrate;triaxialstressstate;ultimatestrength;deformation;completestress-swain CUrVe 地震荷载是大型混凝土结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 必须考虑的 重要荷载之一.在地震荷载作用下,混凝土所表现 出来的力学性能与静态荷载下的力学性能不同,其 强度,弹性模量,峰值应力处的应变值都会发生很 收稿日期:2005.08.13;修改日期:2006-01.12 基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50139010) 作者简介:?闫东明(1978),男,河南南阳人.讲师,博士.从事混凝土材料动力性能方法的理论与试验研究(E-mail:dmyan@ezu.edu.cn); 林皋(1929),男,江西南昌人,教授,博导,中国科学院院士,从事大坝抗震等方面研究; 徐平(1977),男,山东五莲人,讲师,博士,从事岩土工程研究. 工程力学59 大的变化.系统了解混凝土在动态荷载下的力学响 应对于大型混凝土结构的抗震安全设计有着决定 性的重要意义. 混凝土在单向应力状态下的动态性能研究已 经进行了许多工作.近几十年来,在混凝土材料动 力性能的研究中取得了不少成果.但多数试验是在 单轴应力状态下进行的.其表现为强度试验多,变 形研究少;理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 多,试验研究少;单轴试验多, 多轴试验少.Bischoff与Perry[~】总结了荷载速率对 混凝土抗压强度影响的研究成果,对比分析了加载 速率对强度,弹性模量,临界应变,泊松比,吸能 能力的影响等.Malvar与Ross~总结了荷载速率对 混凝土单轴动态抗拉强度影响的研究成果.混凝土 在多轴应力状态下的动态性能研究也取得了一定 成果.如Bicanic等【3]和Tedesco等【4J在单轴试验成 果的基础上建立了动态本构模型.Gran等【5】对高强 混凝土进行三轴动态试验,试验结果表明:在应变 速率1.3/s和5/s之间建立的动态剪切破坏面比静态 条件下的破坏面提高30~/o~40%.Takeda等【6】试验研 究了有恒定围压混凝土的动态破坏强度准则. Fujikake等J采用液压作为圆柱体试件的恒定侧向 约束力,在轴向施加动态荷载进行试验,研究了三 向应力状态下混凝土的动态破坏模式,建立了动态 的破坏准则,并提出了半经验的动态本构模型.宋 玉普等lUj利用改进的液压三轴设备,对立方体混 凝土试件在一向施加恒定侧压另一向施加动态的 压缩,劈拉荷载,研究了双轴应力状态下的动态强 度和变形特性,加载过程采用荷载控制,加载速率 范围为2MPa/s~2000MPa/s,其相应的应变速率范围 约为10-6/s~10—3/s.总的看来,多轴应力状态下的动 态试验成果比较少,在当前的文献中仅发现零散的 试验资料,缺乏系统的研究工作.这是由于混凝土 多轴动态试验设备复杂,技术要求高,操作难度大, 导致这方面研究工作不够系统深入.有必要做进一 步深入研究,尤其是在三向应力状态下的动态强度 和变形特性. 我国现行《水工建筑物抗震设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》 (DL5073—2000)规定:”混凝土动态强度和动态弹性 模量的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值可较其静态标准值提高30%;混凝土 动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度标准 值的10%.应当认为,这种对混凝土动态特性的考 虑是十分初步的.因为在地震作用下,不同的大坝, 不同的部位在不同的瞬时,其应变率的变化各不相 同,混凝土的强度和刚度特性与坝的振动特性以及 地震波的特性密切相关.无视具体情况的变化,对 所有的大坝在地震作用下的强度和刚度,一律提高 30%的作法,显然过分粗略.规范中这种规定是否 可以使结构的设计偏于安全也缺乏论证.近2O年 来,随着高速度,大容量计算机的出现以及有限元 等计算技术的迅速发展,传统的试验以及设计分析 方法面临着挑战.人们的视野已经从传统的弹性设 计思想发展到按非线性进行设计,因为这可更有效 地发挥材料的潜力.这对混凝土动态性能的试验研 究提出了新的要求.基于目前的状况,本文开展混 凝土在动态荷载下的三轴试验,详细研究混凝土在 三向应力状态下的动态强度和变形规律,为建立精 确,适用的混凝土动态本构模型以及工程实践提供 必要的依据. L试验设备及试验技术研究 1.1试验设备 试验设备采用大连理工大学自行研制的大型 静动态电液伺服试验系统.该系统由电液伺服阀, 电子控制线路和三向分别独立的加力架,加载板, 液压缸(每向出力最大压力2.5×10kN,最大拉力 5×10kN),荷载传感器和位移传感~(LVDT)组成. 系统可以实现各种应力比下的三向拉,三向压和三 向拉压的静动态试验.试验过程数据采用Visual c”程序编制软件系统进行控制和采集,其最小采 集周期为2gs.作动器响应频率可达到10,0Hz.其 最大加载速率为5×10kN/s,比例加载控制精度为 l,5%.经过鉴定(2002),达到国际先进水平.本文 试验中主应力方向采用量程为2.5×10kN的传感 器,侧压力方向荷载传感器量程分别为3×10kN 和5×10kN,以确保所采集到荷载值的精度.试验 设备在一个方向上的结构原理如图1所示. 试件 带球铰的压头 压杆 荷载传感器 油缸及伺服系统 I邶T 传感器架 放大器 控制及数据采集系 图1试验系统在一个加载方向上原理图 Fig.1Illustrationoftestingsysteminoneloadingdirection 1.2试件的制备 本试验采用边长为100mm的立方体试件.限 工程力学 于试验设备的能力,只能采用较低强度的混凝土进 行试验.设计强度为10MPa,其配合比按质量为水 泥:水:砂子:石子=1.00:1.02:4.38:5.35.实 测28d抗压强度(无减磨措施)为10.7MPa,劈拉强 度为0.83MPa.水泥采用大连水泥厂同炉出产的海 鸥牌32.5R型普通硅酸盐水泥f即原425#),粗骨料 为连续粒级的碎石,石子的最大骨料粒径为10mm; 砂子为天然河砂,颗粒级配属于级配II区,经测量 砂子的细度模数为2.66,为中砂;所用的拌和水为 自来水.试块用钢模人工振捣后在振动台上成型. 24h后脱模,在水中养护2d,然后放到上覆石棉瓦 的养护棚中覆草袋浇水养护至第28d,其后在自然 条件下养护.试验时混凝土的龄期为600?20d.在 对该批混凝土养护过程中跟踪测量的37组抗压和 劈拉试验中,没有一组试件中出现三个测量值中的 最大值或最小值与中间值的差值都超过中间值的 15%的情况,说明本试验所制作的试件离散性较小, 能够确保试验数据的可靠性. lI3试验过程 试件侧面与加载板之间采取减摩措施.减摩材 料选用塑料薄膜和甘油.具体做法是:在三层塑料 布之间夹两层黄甘油,在塑料布与试件受压面之间 再涂一层黄甘油,总共三层塑料布三层甘油. 试验过程分三个步骤来完成: (1)试验时将试件安装在三轴试验机的加载板 之间,调整作动头,使压头靠近试件但不施力. (2)通过计算机控制,作动头以设定的位移速 率施加到设定的预加荷载值(本次试验为10kN).预 加完毕后安放位移传感器(LVDT),每个方向的相对 两侧上安放两支,来量测试件变形. (3)施加恒定压力.在程序的控制下,依次在 三个方向上施加荷载.先在方向施加一个荷载值 Act(本文中为40kN);而后维持不变,在cr2方向 上施加该荷载值Act;然后维持和都不变,在 cr3方向上施加该荷载值Act.再维持cr2和都不 变,在方向上再增加该荷载值至2Act,依次进行 下去,直到三个方向的压力都达到设定的围压值. (4)正式加载.维持两个侧面方向,和压力 恒定,在主轴方向进行正式加载.加载由计算机 程序控制自动完成.加载过程采用位移反馈:控制 整个加载过程的平均应变速率为设定值.同时采集 各个轴向的位移和荷载值.试验完毕,拆下位移传 感器,取出试件. 本文完成了普通混凝土试块在5种围压以及3 种应变速率10,/s,10/s和10/s时的三轴压缩试 验.试验中 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了加载过程中试件在三个方向上荷 载和变形的变化过程. 2试验结果及分析 在试验的加载过程中,随着主压力方向荷载的 增加,混凝土试件侧向有膨胀的趋势,要求侧向的 作动器进行响应以维持恒定的围压.本文侧压力方 向上作动器的响应频率较高,能够确保侧向保持恒 定压力.实测的轴向和围压向应力和变形随时间的 变化关系见图2,可见随着轴向荷载值的变化,侧 向压力基本保持恒定,能够确保试验结果的准确可 靠. 图2实测的应力变化过程 Fig.2Measuredstresshistory 2.1强度特性 本文测得不同加载速率和不同应力比下混凝 土的极限抗压强度见表1. 表1混凝土强度试验结果/MPa Table1Dynamicstrengthsobtainedinthetests/MPa 工程力学6l 4 1 2 3 4 5 均值 27.20 29.75 31.81 31_3l 3O.17 30.05 通常,认为混凝土动态强度与应变速率的对数 呈线性关系,即两者之间满足如下关系: : 1.0+(/)(1)一一 其中,厂是混凝土试验在当前速率和围压下的抗压 强度;. 为混凝土在当前围压下的拟静态抗压强 度;为当前的应变速率;为拟静态应变速率, 本文取为10/s为与围压及材料性质相关的参 数.对本文的试验数据采用最小二乘法进行拟合, 得到参数如表2所示.可以看出,可见随着围压的 增加,应变速率对强度的影响作用逐渐减弱,当围 压较大时(如12MPa),随着应变速率的增加,混 凝土的极限强度变化幅度很小,几乎落在混凝土试 验的离散区间内.图3表示混凝土的抗压强度与围 压之间的关系. 表2参数拟合结果 Table2Parametersimulatingresults 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8 o (a)围压与强度的关系 0.00.20.40.60.8 ol7 (b)围压与强度关系局部放大图 图3不同应变速率下混凝土的极限强度与围压关系 Fig_3Relationshipofultimatestrengthandconfiningpressure atdifferentstrainrotes Newman(1979)01]提出了如下的方程以反映围 压与强度之间的非线性关系: 一 拿:0(2)丘一 其中和B为经验参数,丘是单轴静态强度. 通过对本文数据采用最d”---乘法进行拟合,不 同应变速率下的参数拟合结果见表3. 表3参数拟合结果 Table.3Simulatingresults 随着应变速率的增加,混凝土的动态强度有增 加的趋势,这一结论在单向应力状态下已经得到共 识.在本文的三向应力状态下的动态试验中也有类 似的结论.在恒定侧向压力较低时,如4MPa和 ??加? n 77777 如 o: 7777 ?H “ .,4 6 ?舳? L O273175651 o=mL 54321 987654321 62工程力学 8MPa,随着应变速率的增加,混凝土的动强度有明 显的增加趋势.但增加的幅度小于混凝土在单向应 力状态下的强度增加比例.当侧向恒定围压为较高 时,随着应变速率增加,混凝土强度几乎不发生变 化.可以认为:当围压超过混凝土的单轴抗压强度 时,混凝土的强度不再考虑应变速率的影响.这一 结论一般在地震作用的应变速率范围10,/s,10/s 内是成立的.这一发现对于有较大埋深的地下混凝 土结构受到爆炸或地震荷载时混凝土动态力学性 能的研究有重要意义. 图4是试验实测的结果在八面体应力空间内的 表达.可以看出在八面体应力空间中,随着应变速 率的增加,混凝土的剪切破坏面逐渐向外推移.但 是推移的程度并不均衡:静水压力较低时破坏面向 外移动明显;静水压力较高时,随应变速率改变没 有明显的移动趋势. 0.00.51.01.52.02.53.03.54.0 o m|f 图4八面体应力空间中的试验数据 Fig.4Testdataintheoctahedralstressspace 2.2变形特性 2.2.1应力应变关系曲线 由于本次试验的加载过程是从一个给定的压 力值开始的,所以应力应变关系的起始点并非从坐 标原点开始.试验中实测静态荷载下典型的应力一 应变关系曲线见图5所示. 从图5(a)可以看到,试件刚开始受力时,侧向 压力的存在使得轴压应变很小,应力应变曲线陡 直.此后,侧向压力约束了混凝土的横向膨胀,阻 滞纵向裂缝的出现和开展,在提高其极限强度的同 时,塑性变形有很大发展,应力应变曲线平缓地上 升.过了强度峰值,试件在侧向压力的支撑下缓慢 的降低,曲线下降平缓.混凝土的应力应变关系曲 线在单轴受压时有明显的尖峰.在三轴加载情况 下,随着侧向压力的增大,曲线的峰值部位逐渐抬 高,变得平缓和丰满.当侧向压力到一定的值(如 81.3%. )时,峰值部位接近一平台,峰值点不明显, 应力一应变关系曲线与单轴受压的曲线不再相似.随 着围压的增加,混凝土主轴应力一主轴应变曲线的初 始斜率(有围压情况下并非弹性模量)有降低的 趋势.应变速率为10/s时弹性模量均值见表4. 对于任一给定的轴向应变,应力随着围压增加而增 长趋势明显. 轴向应变,% (a)轴向应力与轴向应变 饲向应变f% (b)轴向应力与侧向应变 MPa//8. — — 单轴 ———————一, 体积应变,% (C)轴向应力与体积应变的关系图 图5应变速率为10/s时典型的应力应变曲线 Fig.5Typicalstress-straincurvesat10.’/s 表4实测的峰值应力处应变值和初始切线模量(10/s) Table4Measuredcriticalstrainandinitialtangentmodulus 侧向应变与主轴应力的关系见图5(b).随着围 压的增大,侧向的变形量也在逐渐的增加.围压较 大时,峰值部位平缓,随应变增加应力降低趋势减 弱. 体积应变与主轴应力的关系见图5(c).体积应 变通过主轴应变以及两侧向应变相加之和得到.可 543210 \ 工程力学63 以看出,在整个压缩过程中,试件先出现压缩变形 (体积缩小),后出现膨胀变形(体积增加);在高围压 条件下,最小体积处的应力与峰值应力有一定差 别,并不完全重合. 应变速率为10-4/s和10弓/s时的应力应变关系 曲线如图6所示.随着应变速率的增加,应力应变 关系曲线形状没有明显的区别.与较低应变速率下 的应力应变曲线相比,当围压较低时,随着应变速 率的增加,初始的切线模量稍有增加的趋势;而在 围压较高时,斜线模量增加的趋势不明显.随着应 变速率的增加,轴向应力轴向应变曲线上峰值应力 后的曲线斜率有略微增加的趋势.而峰值应力处的 应变值没有发现显着的变化.体积应变的变化坡度 更陡峭一些.整体趋势上看,应变速率对混凝土应 力应变关系曲线的影响不大. 01234 轴向应变,% 轴向应力与轴向应变(104/s1 (d)轴向应力与轴向应~(10-/s) 轴同刀与侧HJ业父(10一/s) 一 一 一 (D轴向应力与体积应变(10./s) 图6不同应变速率时典型的应力应变曲线 Fig.6Typicalstress-strainC1.Lrvesatdifferentstrainrates 2.2.2峰值应力处的应变值 随着围压的增加,混凝土材料在峰值应力处的 轴向应变值有增加的趋势.本文试验测得的静态荷 载作用下峰值应力处的应变值见表4.可见,随这 围压的的增加,峰值应力处的应变值有较大幅度的 提高. 通常,将峰值应力处应变值与围压之间用线性 关系来表达. Richart等【以下式来表达其关系: O~ p=崩【一J(9)st’sp)t’s) 其中=5,:0.8. Imran等”结合自己的试验数据,将该公式修 正为:届=6,=0.83. Nielsent则对高强混凝土采用如下方程来表 达: {0.21+4.9手l%(10) Ansari等的试验结果表明,三种强度混凝土 的峰值应力处应变值与围压之间的关系可以用统 一 线性关系来表达: :1+口 f1(11)Cusp 并拟合得到口=15.15. Candappa等的试验中则观察到的变形增加 幅度更大:口=20. ???加0 _王_『趟厘暴0 工程力学 比较Ansari等和Candappa等的数据可以发现, 虽然两者所试验的混凝土强度范围比较接近 (Candappa等为41.9MPa,60.6MPa和103.3MPa, Ansari等为47MPa,71.08MPa和107.27MPa),然 而得出的结论却差别较大.这说明试验设备,加载 方式不同,混凝土的变形量也有较大差别. 本文的三种应变速率下,峰值应力处应变值的 变化不大.对本文三种应变速率下所得到的试验数 据,统一按照方程(11)的形式进行回归,得到:: 18.6,其中R=0.971. 需要说明的是,由于本文的变形记录并不是严 格从零开始,所得到的峰值应力处应变值与他人的 试验成果有所差别.有必要进一步开展这方面的研 究工作. 3结论 (1)在本文所研究的应变速率范围内(10,/s一 10/s)内,随着混凝土围压的增加,应变速率对混 凝土动态强度的影响作用逐渐减弱.当围压较低 时,强度随着应变速率增加而有明显的增加;当围 压较高时,应变速率对混凝土极限强度的增强作用 趋于减弱. (2)随着围压的增加,混凝土的极限强度有较 大幅度的增加.Newman等人提出的方程能够精确 地反映围压与混凝土极限强度之间的非线性变化 关系. (3)随着围压的提高,混凝土材料由脆性逐渐 过渡为延性材料,变形能力大幅度地增加.应力应 变曲线初始段的斜率随着围压的增加逐步降低.不 同应变速率下的应力应变曲线形状基本相似. (4)在本文所研究的应变速率范围内,峰值应 力处应变值不随应变速率的变化而改变. 参考文献: [2】 [3】 【4】 BischoffPHPerrySH.Compressivebehaviourof concreteathighstrainrates[J】.MaterialsandStructures, 1991.24:425—45O. MalvarLJ.RossCA.Reviewofstrainrateeffectsfor concreteintensionfJ1.ACIMatreialsJournal,l998, 95(6):435—439. BicanicN.ZienkiewiczOC.Constitutivemodelfor concreteunderdynamicloading[J].Earthquake EngineeringandStructuralDynamics,l983,ll: 689-7l0. TedescoJWPowellJC.RossCA.Strain-rate. dependentconcretematerialmodelforADINA【J】. Computers&Structures,1997,64(5/6):1053-1067. [5】GranJFlorenceAL,ColtonJD.Dynamictriaxial testsofhighstrengthconcrete[J】.ASCEJ.Engineering Mechanics,1989,l15(5):891-904. [6】TakedaJ,HiroyuldTMechanicalbehaviorofconcrete underhigherrateloadingratethaninstatictest[J】. JournaloftheInstitutionofWaterEngineersand Scientists,l974.479--486. [7】FujikakeK,MK.Dynamicpropertiesofconcrete materials州tllhighratesoftri-axialcompressiveloads [J].StructuresandMaterials,StructuresunderShockand ImpactVI,2000,8:5l1-522. 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