《1 前 言》
1 前 言
砼作为重要的工程材料, 其受力特性与裂缝的发展有密切关系。 因此, 砼裂缝的扩展机理及其定量描述是砼结构理论的一个基础性课题, 受到国际学术界的日益重视。 开展砼断裂研究的最终目的是要建立起一套适合于定量描述砼裂缝扩展的断裂准则或断裂模型, 并给出这些模型中所定义的断裂参数的测试方法。 目前, 国际上较为流行的针对砼材料建立的断裂模型有两类: 一类适用于数值分析, 如虚拟裂缝模型
《2 砼等效裂缝长度ac的计算》
2 砼等效裂缝长度ac的计算
由于砼在失稳断裂前存在着裂缝的稳定扩展阶段, 使得试件在失稳断裂前裂缝实际长度大于预制缝长a0, 若将失稳断裂前裂缝稳定扩展长度记为Δac, 则
在实验中, 要精确测量Δac较为困难, 需采用先进测试技术。因此, 本文根据文献
对如图1所示的非标准三点弯曲梁, 当外荷载P达最大值Pmax时, 其对应的有效裂缝长度ac可由下式确定
令:A为CMODC
式中:
α=ac/h; β=s/h (跨高比) ; t为试件厚度; E为弹性模量,
根据试验测得的Pmax及对应的CMODc值, 即可计算各试件的ac或Δac值。
《3 砼双K断裂参数的确定》
3 砼双K断裂参数的确定
《3.1 闭合力产生的应力强度因子KCⅠ的计算》
3.1 闭合力产生的应力强度因子KCⅠ的计算
由于砼裂缝失稳扩展前存在着主裂缝的稳定扩展阶段, 根据虚拟裂缝模型, 当裂缝张开位移w<w0时, 尚能传递应力, 这个应力称为闭合力。 因此, 梁除了受到外荷载P作用外还存在着阻止裂缝扩展的闭合力的作用 (如图2所示) 。 根据叠加原理, 可将图2 (a) 分解为图2 (b) 及图2 (c) 。 对图2 (a) , 其裂缝尖端处的应力强度因子为:
式中, KⅠP为由集中力P所产生的应力强度因子, 可直接由线弹性断裂力学公式计算:
当s/h=2.5时, f (α) 可由下式表示:
而由闭合力σ (x) 产生的应力强度因子, 可由文献
式中:
根据文献
式中:ft为砼抗拉强度; w为裂缝张开位移 (见图3) ,
对普通砼, c1=3, c2=7, w0=160 μm, 而w与x的关系为:
这样, 式 (9) 中的砼试件在虚拟裂缝区的闭合力方程即可表示为x的函数σ (x) 。 因此, 当裂缝处临界状态时, 在虚拟裂缝区内由σ (x) 引起的断裂韧度KcⅠ为:
而临界裂缝尖端张开位移则为:
令:B为CTODC
《3.2 砼双K断裂参数的确定》
3.2 砼双K断裂参数的确定
由式 (4) 可知, 当裂缝处于临界状态时,
式中:K
对于理想弹塑性材料, 根据D-M模型, 由于裂缝尖端附近出现较大的塑性区, 使得裂缝尖端的应力奇异性消失, 即KⅠ=KⅠP-KcⅠ=0, 也就是说由闭合力σ (x) 产生的负的应力强度因子, 完全抵消由拉应力产生的正的应力强度因子。而砼为半脆性材料, 由σ (x) 产生的负的应力强度因子不能完全抵消由拉应力产生的正的应力强度因子, 因此KⅠ≠0。 所以:K
这样, 当在试验中测得砼试件的抗拉强度ft、最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc、弹性模量E等参数后, 根据以上各式便可获得砼的双K断裂参数K
1) 将在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的CMODc和弹性模量E代入式 (2) , 计算出裂缝有效长度ac。 由于该方程为非线性方程, 需迭代求解;
2) 将Pmax及ac代入式 (5) 即可得到K
3) 将上述计算的各相关数据代入式 (4) , 经数值积分即可求得KcⅠ;
4) 将求得的K
《4 试验研究》
4 试验研究
《4.1 试件制作及砼配合比》
4.1 试件制作及砼配合比
试件采用如图1所示的三点弯曲梁。试件尺寸等参数见表1。 所有试件均采用同一配合比, 水泥∶沙子∶石子∶水=1∶1.73∶3.01∶0.52。 试件所用材料为大连产河沙, 石灰岩碎石, 最大粒径为10 mm, 水泥为大连水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥。试件采用密度板浇注而成, 用厚2 mm的钢板预制裂缝, 砼浇注后约3 h抽出钢板, 24 h后拆模, 然后草袋覆盖, 洒水养护28 d。 试验时测得其立方体的抗压强度fcu=44.9 MPa、抗拉强度ft=3.96 MPa、弹性模量E=45.9 GPa、泊松比v=0.190。
《3.2 试验过程及试验结果》
3.2 试验过程及试验结果
所有试验均在5 000 kN压力试验机上进行, 荷载传感器采用BLR-1/5000拉压式传感器, 量程为50 kN, 裂缝口张开位移CMOD及加载点位移δ均采用夹式引伸仪量测。试验采用计算机自动采集。详细试验结果见表2。图4为试验中测得的曲型的P-CMOD及P-δ全过程曲线。
Table 1 specimen size and other parameters
《表1》
试件编号 | l×h×t/mm | s/h | a0/h | 试件数n |
0.2 | 550×200×100 | 2.5 | 0.2 | 5 |
0.3 | 550×200×100 | 2.5 | 0.3 | 4 |
0.4 | 550×200×100 | 2.5 | 0.4 | 4 |
0.5 | 550×200×100 | 2.5 | 0.5 | 2 |
30 | 800×300×100 | 2.5 | 0.2 | 5 |
Table 2 Experimental results of Pmaxand CMODc
《表2》
试件编号 | a0/h | Pmax/kN | CMODc/mm | 试件编号 | a0/h | Pmax/kN | CMODc/mm |
0.2-1 | 0.2 | 15.77 | 0.043 2 | 0.4-2 | 0.4 | 12.79 | 0.104 0 |
0.2-2 | 0.2 | 20.00 | 0.048 0 | 0.4-3 | 0.4 | 13.72 | 0.097 6 |
0.2-3 | 0.2 | 19.56 | 0.046 4 | 0.4-4 | 0.4 | 12.54 | 0.065 6 |
0.2-4 | 0.2 | 18.26 | 0.086 4 | 0.5-1 | 0.5 | 9.81 | 0.067 2 |
0.2-5 | 0.2 | 18.26 | 0.044 8 | 0.5-2 | 0.5 | 11.61 | 0.076 8 |
0.3-1 | 0.3 | 14.90 | 0.051 2 | 30-1 | 0.2 | 28.07 | 0.057 6 |
0.3-2 | 0.3 | 16.08 | 0.075 2 | 30-2 | 0.2 | 23.41 | 0.059 2 |
0.3-3 | 0.3 | 18.94 | 0.076 8 | 30-3 | 0.2 | 29.25 | 0.070 4 |
0.3-4 | 0.3 | 13.48 | 0.091 2 | 30-4 | 0.2 | 26.89 | 0.067 2 |
0.4-1 | 0.4 | 12.98 | 0.073 6 | 30-5 | 0.2 | 31.92 | 0.089 6 |
《5 砼非标准三点弯曲梁试件的双K断裂参数计算结果》
5 砼非标准三点弯曲梁试件的双K断裂参数计算结果
根据试验测得的Pmax\, ft、E、CMODc等参数, 即可计算K
另外, 从表中还可发现, 失稳断裂韧度K
《6 结 论》
6 结 论
1) 砼结构的裂缝在起裂后由于受到闭合力的作用, 使之在失稳破坏前存在较大的亚临界扩展阶段, 而不像脆性材料一经起裂便失稳扩展。
2) 采用虚拟裂模型并结合线弹性断裂理论, 利用在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc、弹性模量E及抗拉强度ft而得到的砼的KiniⅠC、K
3) 根据本文的方法, 在试验中只需测得单调加载下P-CMOD曲线, 甚至只测得其上升段便可确定砼的双K断裂参数及CTODc值, 试验方法简单, 在普通实验室即可实现。
4) 由于本文采用的非标准三点弯曲梁试件的高度系列只有2组, 试验数据尚少, 仍需继续研究。
Table 3 Calculating results for double-K fracture parameters of concrete
《表3》
试件编号 | ac/mm | Δac/mm | KcⅠ/MPa | CTODc/mm | |||
0.2-1 | 81.14 | 41.14 | 0.257 | 1.331 | 0.282 | 1.613 | 0.021 90 |
0.2-2 | 76.02 | 36.02 | 0.225 | 1.174 | 0.732 | 1.906 | 0.022 75 |
0.2-3 | 75.57 | 35.57 | 0.222 | 1.177 | 0.676 | 1.853 | 0.021 84 |
0.2-4 | 101.5 | 61.47 | 0.384 | 1.408 | 1.140 | 2.548 | 0.052 34 |
0.2-5 | 76.88 | 36.88 | 0.231 | 1.218 | 0.543 | 1.761 | 0.021 49 |
平均值 | 82.22 | 42.22 | 0.264 | 1.262 | 0.675 | 1.936 | 0.028 06 |
0.3-1 | 89.77 | 29.77 | 0.213 | 1.122 | 0.606 | 1.728 | 0.016 90 |
0.3-2 | 101.1 | 41.05 | 0.293 | 1.242 | 0.985 | 2.228 | 0.030 55 |
0.3-3 | 95.91 | 35.91 | 0.257 | 1.124 | 1.291 | 2.415 | 0.028 75 |
0.3-4 | 113.7 | 53.67 | 0.383 | 1.434 | 0.897 | 2.331 | 0.043 06 |
平均值 | 100.1 | 40.10 | 0.286 | 1.231 | 0.945 | 2.176 | 0.029 84 |
0.4-1 | 107.8 | 27.77 | 0.231 | 1.077 | 0.940 | 2.017 | 0.018 96 |
0.4-2 | 119.5 | 39.54 | 0.330 | 1.230 | 1.245 | 2.475 | 0.034 40 |
0.4-3 | 115.3 | 35.30 | 0.294 | 1.159 | 1.287 | 2.446 | 0.029 88 |
0.4-4 | 105.0 | 24.99 | 0.208 | 1.035 | 0.822 | 1.857 | 0.016 52 |
平均值 | 111.9 | 31.90 | 0.266 | 1.125 | 1.074 | 2.199 | 0.024 72 |
0.5-1 | 114.1 | 14.07 | 0.141 | 0.786 | 0.923 | 1.709 | 0.008 29 |
0.5-2 | 112.9 | 12.93 | 0.129 | 0.736 | 1.244 | 1.980 | 0.008 79 |
平均值 | 113.5 | 13.50 | 0.135 | 0.761 | 1.084 | 1.845 | 0.008 54 |
30-1 | 104.9 | 44.91 | 0.187 | 1.14 | 0.801 | 2.015 | 0.024 66 |
30-2 | 117.1 | 57.08 | 0.238 | 1.391 | 0.482 | 1.873 | 0.288 6 |
30-3 | 114.2 | 54.20 | 0.226 | 1.266 | 1.014 | 2.280 | 0.033 41 |
30-4 | 116.4 | 56.39 | 0.235 | 1.320 | 0.818 | 2.138 | 0.032 56 |
30-5 | 123.1 | 63.12 | 0.263 | 1.264 | 1.438 | 2.702 | 0.045 93 |
平均值 | 115.1 | 55.14 | 0.230 | 1.291 | 0.911 | 2.02 | 0.033 08 |