混凝土裂縫擴(kuò)展全過程的新G-,R-阻力曲線理論和能量轉(zhuǎn)化分析.pdf

1、對(duì)混凝土乃至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，其受力破壞過程與裂縫的蔓延滋生有著密切的關(guān)系，是一個(gè)裂縫擴(kuò)展問題。斷裂力學(xué)作為專門研究帶裂縫固體強(qiáng)度及裂縫擴(kuò)展規(guī)律的科學(xué)，它應(yīng)該是一種有效且合理的分析混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的工具。然而，由于混凝土的不均勻性和非完全線性行為，其斷裂破壞的過程并不像理想脆性材料簡單，表現(xiàn)為裂縫起裂，穩(wěn)定擴(kuò)展，失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。構(gòu)成混凝土的骨料組份所發(fā)揮的粘聚咬合作用，造成了裂尖非線性斷裂過程區(qū)的出現(xiàn)及發(fā)展，被認(rèn)為是混凝土非線性斷裂破

2、壞主要的物理力學(xué)機(jī)理。結(jié)合這些斷裂特征，迄今以應(yīng)力強(qiáng)度因子為工具已建立了一些典型的斷裂模型，很好地描述了混凝土的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展。然而，以能量為出發(fā)點(diǎn)定量分析整個(gè)斷裂全過程材料的裂縫阻止能力以及能量的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的工作卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。鑒于此不足，本文嘗試從能量的觀點(diǎn)來進(jìn)一步理解混凝土整個(gè)斷裂過程所表現(xiàn)的斷裂行為。 1.裂縫擴(kuò)展阻力曲線很好地描述了隨裂縫擴(kuò)展材料裂縫抵制力的變化，是判定裂縫在其任意擴(kuò)展時(shí)刻穩(wěn)定與否的一種斷裂準(zhǔn)則。本文首先回

3、顧了Irwin在上世紀(jì)六十年代提出的傳統(tǒng)裂縫擴(kuò)展阻力曲線概念以及在此概念基礎(chǔ)上發(fā)展的兩種確定R阻力曲線的半解析半經(jīng)驗(yàn)方法，然后結(jié)合混凝土斷裂的現(xiàn)象學(xué)觀測(cè)，在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上從復(fù)合材料的觀點(diǎn)構(gòu)建了描述裂縫擴(kuò)展阻力變化的GR阻力曲線模型。在這個(gè)模型中，認(rèn)為裂縫的擴(kuò)展阻力由兩部分組成：一部分是基體水泥凝膠材料的貢獻(xiàn)，稱為起裂韌度；另一部分是骨料咬合作用的貢獻(xiàn)，稱為骨料粘聚韌度。對(duì)于前者，根據(jù)Griffith脆性斷裂理論，其大小是—常數(shù)，認(rèn)

4、為接近于水泥凈漿材料的斷裂韌度。但對(duì)于后者，隨著裂縫的擴(kuò)展是變化的。接著根據(jù)Hillerborg虛擬裂縫模型，本文給出了局部斷裂能的計(jì)算公式及物理力學(xué)解釋。在此基礎(chǔ)上，使用Reinhardt非線性軟化本構(gòu)，根據(jù)等效裂縫長度α及其特征長度αw0的大小，分兩種情況著重推導(dǎo)了骨料粘聚韌度計(jì)算的解析公式，從而給出了材料整個(gè)斷裂過程中裂縫擴(kuò)展阻力的表達(dá)式。 2.澆注了最大尺寸分別為2000mm×500mm×200mm的三點(diǎn)彎曲梁和1440

5、mm×1200mm×200mm的楔入劈拉試件共七個(gè)立方米的混凝土斷裂試件，并對(duì)完好無損試件完成了斷裂試驗(yàn)。根據(jù)本文構(gòu)建的GR阻力曲線模型，針對(duì)試驗(yàn)的兩種幾何形式，詳細(xì)給出了確定任意裂縫擴(kuò)展時(shí)刻裂縫擴(kuò)展阻力的步驟和相應(yīng)的計(jì)算公式。使用試驗(yàn)獲得的P-CMOD曲線，得到了GR阻力曲線和動(dòng)力曲線，觀察了GR阻力曲線的基本特征。通過比較荷載裂縫嘴張開位移曲線，解釋了它們相交點(diǎn)的物理意義。并討論了GR阻力曲線的尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)問題以及與使用軟化本

6、構(gòu)曲線的相關(guān)性。 3.軟化曲線描述了裂尖非線性斷裂過程區(qū)的物理力學(xué)行為，不同的軟化曲線對(duì)骨料粘聚性能的定量不盡相同，由此而確定的GR阻力曲線也有所差異。為此，本文采用廣泛使用的雙線性軟化曲線和非線性軟化曲線，在假定Hillerborg定義的斷裂能相同的情況下，以數(shù)值模擬的三點(diǎn)彎曲梁為研究對(duì)象，計(jì)算了GR阻力曲線，研究了不同軟化曲線對(duì)其結(jié)果的影響。 4.類似于理想脆性材料，混凝土的斷裂過程也是一個(gè)能量相互轉(zhuǎn)化的過程。在這個(gè)