鄭如杰， 畢賢順

(福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118)

裂紋尺寸對混凝土斷裂韌度的影響

鄭如杰， 畢賢順

(福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118)

混凝土； 數(shù)值模擬； 三點彎曲試驗； 裂紋； 斷裂韌度

20世紀60年代初南非的南安普敦大學教授M.F.Kaplan[1]開始混凝土斷裂力學的實驗。1976年，瑞典隆德工學院的A．Hillerborg[2]根據(jù)混凝土在宏觀裂紋尖端存在一個卸載的應變軟化區(qū)，發(fā)現(xiàn)了混凝土的軟化特性并提出了斷裂過程區(qū)的概念，同時提出了研究混凝土斷裂問題的虛擬裂紋模型，使得混凝土斷裂力學進入一個嶄新的發(fā)展階段。在此之后，國內(nèi)外學者進行了大量的實驗研究，徐世烺等[3]通過對混凝土試件斷裂過程的研究，提出了雙K斷裂模型。

目前，有關裂紋尺寸對混凝土雙K斷裂參數(shù)的影響，主要通過對跨高比為4的混凝土三點彎曲梁進行試驗研究[4-5]，對于跨高比不為4的混凝土試件，則研究的相對較少，因此，本文在保持試件跨高比為2.5的情況下，研究不同裂紋尺寸對混凝土雙K斷裂韌度的影響。

1 混凝土雙K斷裂韌度參數(shù)的確定

(1)

其中，

(2)

根據(jù)線性漸進疊加原理，當試件加載到最大值Pmax時，其對應的有效裂紋深度ae可通過以下公式計算得到[7]：

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：β=S/D(跨高比)；t為試件厚度；E為彈性模量。

將試驗測得的最大荷載Pmax、對應的臨界裂紋口張開位移DCCMO、材性試驗測得的抗壓彈性模量E，代入以上公式，通過計算得到臨界等效裂紋深度ac。

2 混凝土三點彎曲梁試驗

2.1 試件尺寸及參數(shù)

混凝土試件尺寸如圖1，本次試驗共制備5根混凝土三點彎曲梁，跨高比S/D均為2.5，混凝土設計強度等級為C35，具體參數(shù)見表1。

圖1 試件尺寸(單位：mm)Fig.1 Specimen size of 3-point concrete bending beam(unit：mm)

表1 試件尺寸及參數(shù)

2.2 加載和測試系統(tǒng)

本試驗采用電子萬能試驗機(DNS-300)，利用規(guī)格為50 kN的BLR-1拉壓傳感器采集跨中荷載(P)，利用量程為50 mm的位移計測量跨中擾度(δ)，利用量程為5 mm的夾式引申儀測定裂紋端口的開口位移(DCMO)。荷載、擾度及各測點的應變均采用DH3816型靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行采集，圖2為本次試驗的加載示意圖。

圖2 測試裝置圖 Fig.2 Test device figure of 3-point concrete bending beam

2.3 試驗結果

試驗測得各試件的P-DCMO全曲線如圖3，試驗結果見表2。

(b)CLC60

(c)CLC80

(d)CLC100

(e)CLC120圖3 試件P-DCMO曲線Fig.3 P-DCMO curves of concreate 3-point bending beam specimen

表2 試驗結果

3 混凝土三點彎曲梁數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

在ABAQUS模型建立中，混凝土材性設置采用基于能量的線性軟化損傷模型和最大主應力損傷開裂準則，材料參數(shù)見表3。模型采用C3D8R實體單元，網(wǎng)格劃分如圖4。

表3 混凝土材料參數(shù)

圖4 混凝土三點彎曲梁數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of three-point concrete bending beam

3.2 模擬結果

典型的裂紋擴展過程如圖5，從圖中可得，在加載過程中，混凝土梁頂部中部加載區(qū)域為受壓區(qū)，隨著荷載的增大，裂紋不斷發(fā)展，裂紋尖端區(qū)域存在較大拉應力，有局部應力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。數(shù)值模擬結果見表4。

(a) increment=6

(b) increment=58

(c) increment=126圖5 CLC60試件最大主應力云圖(單位：MPa)Fig.5 The maximum principal stress nephogram of CLC60 specimen (unit：MPa)

表4 數(shù)值模擬結果

4 結果分析

表5 試件試驗值與數(shù)值模擬值對比

注：試件試驗值與XFEM模擬值單位均為MPa·m1/2。

圖6 初始裂紋尺寸對混凝土斷裂韌度的影響Fig.6 The effect of initial seam size on the fracture toughness of concrete

5 結論

[1] Kaplan M F. Crack propagation and the fracture of concret[J]. Journal of the American Concrete Institute,1961,4(3):497-519.

[2] Hilberborg A, Modeer M, Petersson P E. Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements[J]. Cement Concrete Research,1976,6(6):773-782.

[3] 徐世烺，王建敏.水壓作用下大壩混凝土裂縫擴展與雙K斷裂參數(shù)[J].土木工程學報,2009(2):119-125.

[4] 榮華，董偉，吳智敏，等.大初始縫高比混凝土試件雙K斷裂參數(shù)的試驗研究[J]. 工程力學,2012(1):162-167.

[5] 李曉東，董偉，吳智敏，等. 小尺寸混凝土試件雙K斷裂參數(shù)試驗研究[J].工程力學,2010(2):166-171.

[6] 徐世烺.混凝土斷裂力學[M].北京:科學出版社,2011.

[7] Guinea G V, Pastor J Y. Stress intensity factor,compliance and CMOD for a general three-point beam[J]. International Journal of Fracture,1998,89:103-116.

(責任編輯： 陳雯)

Effect of crack size on the fracture toughness of concrete

Zheng Rujie， Bi Xianshun

(College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

concrete; numerical simulation; three-point bending test; crack; fracture toughness

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.005

2017-02-21

福建省科技廳項目(2013J01001)

畢賢順(1962-)，男，遼寧大連人，教授，博士，研究方向：固體力學、斷裂、損傷。

TU37

A

1672-4348(2017)03-0224-05