試件初始縫長對混凝土雙K斷裂參數(shù)的影響

1、試件初始縫長對混凝土雙 K斷裂參數(shù)的影響作者：吳智敏徐世盧喜06-02-20 09:59:00 經(jīng)編輯：studa9ngns31釦摘要：本文采用尺寸為400mrK 400mrK 200mm初始縫高比分別為 0.2、 0.4、0.5、0.6的楔入劈拉試件，應(yīng)用線性漸近疊加原理，利用試驗中測得的 最大荷載Pmax及對應(yīng)的裂縫口張開位移CMOD計算了混凝土裂縫的亞臨界擴(kuò) 展量 a c,在此基礎(chǔ)上利用虛擬裂縫模型并結(jié)合線彈性斷裂理論，采用不同 的閉合力方程計算了混凝土起裂斷裂韌度Kinilc、失穩(wěn)斷裂韌度Kunlc及臨界裂縫尖端張開位移CTODc結(jié)果表明，采用不同閉合力方程所計算的混凝土 Kinilc

2、值有所差異，但當(dāng)試件縫高比大于或等于0.4時Kinilc及CTOD均與試件初始縫高比無關(guān)，而 Kunlc值則與初始縫高比無關(guān)，這表明雙 K斷裂參數(shù) 及CTOD（可以作為描述混凝土裂縫起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)破壞全過程的材料常 數(shù)。關(guān)鍵詞：混凝土 裂縫斷裂參數(shù)虛擬裂縫模型眾多的研究結(jié)果表明，試件高度是影響混凝土斷裂韌度Kc的主要因素，而造成Kc尺寸效應(yīng)的主要原因是忽略了混凝土裂縫失穩(wěn)斷裂前亞臨界擴(kuò)展階段。 為此，文獻(xiàn)1，2采用激光散斑及光彈貼片等測試技術(shù)研究了混凝土裂縫失穩(wěn) 斷裂前的亞臨界擴(kuò)展過程，結(jié)果表明，混凝土裂縫是先由起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展然后 失穩(wěn)破壞，當(dāng)試件高度h>1.0m時，其擴(kuò)展量c達(dá)2

3、10mm根據(jù)試驗中測得的 起裂荷載Pini、A a c及最大荷載Pmax獲得了與試件高度無關(guān)的起裂斷裂韌度 Knilc及失穩(wěn)斷裂韌度Kunlc，據(jù)此提出了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的雙K斷裂準(zhǔn)則，即當(dāng)Kl=Kini lc時，裂縫起裂；當(dāng)Knilc<K< Qc時，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)Kl>Kunlc 時，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展。然而，Knilc、Qlc是根據(jù)大型試件斷裂試驗中測得的，它要 求測得混凝土的A a C、Pni，這在普通實驗室是難以做到的。為此，文獻(xiàn)3 采用虛擬裂縫模型并結(jié)合線彈性斷裂理論通過迭代計算了混凝土A a C,并得到了當(dāng)試件高度h>400mn時，KJ、K；及臨界裂縫尖端張開

4、位移 CTOD值均與試 件高度無關(guān)的結(jié)論。然而在以上的研究中，均未考慮混凝土初始縫高比a 0/h的影響。因此本文采用尺寸 400m材400m材2 00mm a 0/h比分別為0.2、0.4、 0.5、0.6的楔入劈拉試件研究a 0/h對雙K斷裂參數(shù)Knilc、"lc及CTOD的影 響。1混凝土有效裂縫長度的確定由于混凝土在失穩(wěn)斷裂前存在著裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，使得失穩(wěn)斷裂前試件實際裂縫長度a大于預(yù)制縫長a 0。若將失穩(wěn)斷裂前裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展長度記為Aa C，貝Ua C= a 0+ A ac但在實驗中要精確測量c值較困難，需 要先進(jìn)的測試技術(shù)。因此本文根據(jù)文獻(xiàn)4的線 性漸近疊加原理，采用線彈

5、性斷裂力學(xué)公式計算 a C的值。對于如圖1所示的楔入劈拉試件，當(dāng)外荷載圖1楔入劈拉試件P達(dá)最大值PmaX寸，其對應(yīng)的有效裂縫長度a c 可由下式確定：CMODPmaXtE11.56(1-a c/h) -2 9.397)式中：t、h、E分別為試件厚度、高度及彈性模量。2混凝土雙K斷裂參數(shù)的確定2.1閉合力產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子總的計算由于混凝土裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展前存在著 主裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，根據(jù)虛擬裂縫模型，當(dāng)裂縫張開位移小于0時，尚能傳遞應(yīng)力，這個應(yīng)力稱為閉合力。因此，試件除了受到外荷載P作用外還存在著阻止裂縫擴(kuò)展的閉合力的作用(如圖2所示).根據(jù)疊加原理，可將圖2(a) 分解為圖2(b)及圖2(c)

6、.對于圖2(a)，其裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：K = Kp Ki其中，Kp為由集中力P 所產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子，可 直接由線彈性斷裂力學(xué)公式 計算：圖2試件受力特性而閉合力(T (x)產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子(負(fù)值)可由文獻(xiàn)5所給的公式計算:式中(6 )如圖3所示，當(dāng)裂縫處于臨界狀態(tài)時，P=Pmax其裂縫尖端張開位移CTOD也達(dá)其臨界值CTOD c，貝U其相應(yīng)的閉 合力C(X)在虛擬裂縫上的分布為：|Ill因(7)圖3閉合力的分布f t- c s(CTODc) ( aX W ac) 式中：cs(CTODc為當(dāng)裂縫尖端張開位移達(dá)臨界值 CTOD時的應(yīng)力，它可由 圖4的混凝土應(yīng)力軟化曲線得出(8)式中：

7、ci、C2為材料常數(shù)。當(dāng)用CTODC弋替式中的3時即可得到cs值。對于普 通混凝土，Ci=3, C2=7, 3o=16Oy m.為簡化計算，也可采用雙線性模型，其表 達(dá)式為：C = f t-(f t - C s) 3 / 3 s (0 W3W3 s)C = C s(3 0- 3 / 3 03 s)( 3 s <3W3 0)C = 0( 3 >3 0)其中，3 s= 0.8Gf/f t, c s= ft/3， 3 0= 兇 3.6Gf/f t,f t和G分別為混凝土的抗拉強(qiáng) 度及斷裂能。將CTOD代入式(9)中的w 即可得至U c s(CTODc值。而CTOD值貝U可由下式計算：圖4

8、混凝土應(yīng)力軟化曲線(10)CTOD& ( a C a o) / a C CMODc因此，在臨界狀態(tài)時，在虛擬裂縫區(qū)內(nèi)由閉合力C(X)產(chǎn)生的斷裂韌度kic為:a (ii)2.2混凝土雙K斷裂參數(shù)的確定 由式 可知，當(dāng)裂縫處于常#狀杰時(12)Kni IC 二 KUnic KCic式中：KniIc、Qlc稱為起裂斷裂韌度及失穩(wěn)斷裂韌度。其中失穩(wěn)斷裂韌度“IC可將試驗中測得的最大荷載Pmax及由式(2)計算的a C代入式(4)獲得，而起裂斷裂 韌度K ic定義為混凝土裂縫起裂時的荷載 Pni對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，它表示材 料抵抗裂縫擴(kuò)展的能力。但要精確測量Pni比較困難。對于理想彈塑性材料，根據(jù) D M模型，由于裂縫尖端附近出現(xiàn)較大的塑性區(qū)，使得裂縫尖端的應(yīng)力奇異性消失，即K = Kp Kci = 0,也就是說由閉合力(T(x)產(chǎn)生的負(fù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子完全抵消由拉應(yīng)力產(chǎn)生的正的應(yīng)力強(qiáng)度因子，而混 凝土為半脆性