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         06-02-20 09:59:00     作者：吳智敏 徐世 盧喜經(jīng)    編輯：studa9ngns摘要：本文采用尺寸為400mm×400mm×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CMODc計算了混凝土裂縫的亞臨界擴(kuò)展量c，在此基礎(chǔ)上利用虛擬裂縫

2、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KiniIc、失穩(wěn)斷裂韌度KunIc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KiniIc值有所差異，但當(dāng)試件縫高比大于或等于0.4時KiniIc及CTODc均與試件初始縫高比無關(guān)，而KunIc值則與初始縫高比無關(guān)，這表明雙K斷裂參數(shù)及CTODc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KIc的主要因素，而造成KIc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

3、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ini、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KiniIc及失穩(wěn)斷裂韌度KunIc，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)KI=KiniIc時，裂縫起裂；當(dāng)KiniIc<KIKunIc時，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)KI>KunIc時，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展。然而，KiniIc、KunIc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c、Pini，這在普通實(shí)驗室是難以做到的。為

4、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c，并得到了當(dāng)試件高度h>400mm時，KiniIc、KunIc及臨界裂縫尖端張開位移CTODc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0/h的影響。因此本文采用尺寸400mm×400mm×00mm，00/h對雙K斷裂參數(shù)KiniIc、KunIc及CTODc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(shí)際裂縫長度大于預(yù)制縫長0。若將失穩(wěn)斷裂前裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展長度記為c，則c=0ac(1) 但在實(shí)驗中要精確測量c

5、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，采用線彈性斷裂力學(xué)公式計算c的值。對于如圖1所示的楔入劈拉試件，當(dāng)外荷載P達(dá)最大值Pmax時，其對應(yīng)的有效裂縫長度c可由下式確定：CMODcPmax/tE11.56(1-c/h)-29.397)(2)圖1 楔入劈拉試件式中：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KcI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

6、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).對于圖2(a)，其裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：KIKIpKcI(3) 其中，KIp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：(4)圖2 試件受力特性而閉合力(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：(5)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CTODc，則其相應(yīng)的閉合力(x)在虛擬裂縫上的分布為： (7)ft-s(CTODc)  (0xc)圖3 閉合力的分布(7)式中:s(CTODc)為當(dāng)裂

7、縫尖端張開位移達(dá)臨界值CTODc時的應(yīng)力，它可由圖4的混凝土應(yīng)力軟化曲線得出6： (8)式中：c1、c2為材料常數(shù)。當(dāng)用CTODc代替式中的時即可得到s值。對于普通混凝土，c1=3，c2=7，0=160m.為簡化計算，也可采用雙線性模型，其表達(dá)式為： = ft-(ft-s)/s (0s)  = s（0-/0s）  (s<0)(9) = 0(>0)  其中，st,sft/3，0f/ft,ft和Gf分別為混凝土的抗拉強(qiáng)度及斷裂能。將CTODc代入式(9)中的w即可得到s(CTODc)值。而CTODc值則可由下式計算：

8、圖4 混凝土應(yīng)力軟化曲線 CTODc（c0）/c ·CMODc(10)因此，在臨界狀態(tài)時，在虛擬裂縫區(qū)內(nèi)由閉合力(x)產(chǎn)生的斷裂韌度KcIc為：(11)2.2 混凝土雙K斷裂參數(shù)的確定 由式(3)可知，當(dāng)裂縫處于臨界狀態(tài)時，KiniIcKunIcKcIc(12)式中：KiniIc、KunIc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KunIc可將試驗中測得的最大荷載Pmax及由式(2)計算的c代入式(4)獲得，而起裂斷裂韌度KiniIc定義為混凝土裂縫起裂時的荷載Pini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Pini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KIKIpKcI0，也就是說由閉合力(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