混凝土Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫起裂準則的試驗研究與裂縫擴展過程的數(shù)值模擬.pdf

1、混凝土的受力特性與裂縫的發(fā)展密不可分，混凝土裂縫發(fā)展機理及其定量描述是混凝土結(jié)構(gòu)理論的一個基礎(chǔ)性課題。然而，由于混凝土材料的不均質(zhì)性和非線性，其破壞過程并不像脆性材料那樣簡單，斷裂過程表現(xiàn)為微裂縫萌生、擴展、貫通、直到宏觀裂縫的產(chǎn)生而導致混凝土失穩(wěn)斷裂的過程。同時由于結(jié)構(gòu)或荷載的不對稱及材料各向異性等原因，實際結(jié)構(gòu)中的裂縫通常是處于復(fù)合應(yīng)力場下，這就使得裂縫尖端附近的應(yīng)力場不是單純的Ⅰ型(張開型)、Ⅱ型(滑移型)或Ⅲ型(撕裂型)，而是Ⅰ

2、、Ⅱ型甚至Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型同時存在，這種裂縫稱為復(fù)合型裂縫。在實際工程中，又以Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫最為常見。因此Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫的起裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展全過程及各階段所對應(yīng)的斷裂參量成為人們普遍關(guān)心的內(nèi)容。針對這些問題，本文通過試驗研究和數(shù)值模擬，開展了如下的研究工作： 1、Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫起裂準則的試驗研究采用尺寸分別為900x200x200mm、1300x300x200mm、1 700x400x200mm、2100x500x200

3、mm、2500x600x200mm，75個共13m3混凝土試件，進行了三點彎曲(純Ⅰ型)和四點剪切(Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型)的斷裂試驗研究。根據(jù)所測得的各個試件起裂荷載，確定四點剪切狀態(tài)下較為合理的荷載布置方式，通過有限元法計算開裂狀態(tài)下的KⅠ、KⅡ分量，進而提出了與以往不同的起裂斷裂準則，并研究了該準則的尺寸效應(yīng)。 2、Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫擴展全過程的光彈性試驗研究在混凝土斷裂機理研究中，特別是觀察原型試件的裂縫發(fā)展過程，光彈貼片具有實時、

4、直觀、準確、便于保存等優(yōu)點。本文采用光彈貼片法對五種尺寸，共19個試件進行了四點剪切試驗研究。通過光彈貼片表面彩色條紋的變化，觀測Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫的起裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展全過程；依據(jù)光彈貼片的光學參數(shù)及試件的基本力學參數(shù)，計算了各試件貼片中每一級條紋代表的應(yīng)變值；得到了各個試件P-△a曲線，并描述了裂縫擴展過程中裂縫尖端主應(yīng)變的變化情況。結(jié)果表明，對于尺寸相同的一組試件，隨著Ⅱ型分量的增加，起裂荷載逐步增大，且臨界裂縫擴展量有增大的趨

5、勢；對于開縫位置相同，尺寸不同的試件，隨著尺寸的增大，起裂荷載相應(yīng)增加。 3、Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫擴展全過程的數(shù)值分析首先提出了Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂縫擴展準則，即當外荷載引起的裂縫尖端應(yīng)力強度因子與粘聚力引起的裂縫尖端應(yīng)力強度因子的差值滿足起裂斷裂方程時，裂縫開始擴展。結(jié)合根據(jù)試驗結(jié)果擬合的起裂斷裂準則，借助ANSYS有限元計算軟件對復(fù)合型斷裂整個裂縫擴展過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)以上算法，可以在已知起裂準則、混凝土抗拉強度、彈性模量、泊松比