混凝土时变断裂过程中的能量耗散研究

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混凝土类准脆性材料结构承受长期恒荷载时,裂缝会随着时间的推移而不断扩展,最终可能会导致结构失效。服役中的大体积混凝土结构处在长期荷载作用下,与服役时间相关的时变断裂问题关系到结构的安全。因此,研究长期荷载作用下的混凝土时变断裂至关重要。本文采取三点弯曲梁试件,从试验研究与理论分析方面进行了以下工作:(1)制备了4种不同高度(梁高为100mm、200mm、300mm和400mm)的标准三点弯曲梁(缝高比为0.4)总计30个试件。每一种高度取3个试件进行单调加载静态断裂试验以获得最大荷载,其余试件进行不同恒荷载水平的时变断裂试验。(2)用夹式引伸计测量了试件持载期间的裂缝口张开位移CMOD(t),计算了时变断裂临界裂缝口张开位移CMOD(tc)。试验记录了试件时变断裂寿命tcr和最终裂缝口张开位移CMODf;比较了时变断裂临界裂缝口张开位移CMOD(tc)与单调加载静态断裂临界裂缝口张开位移CMODc;分析了时变断裂寿命tcr、最终裂缝口张开位移CMODf和恒荷载水平P/Pmax的关系。试验结果表明,CMOD(t)在持载阶段不断增大,CMOD(t)-t曲线呈现出三个阶段特征:第一阶段,CMOD(t)快速增大而裂缝口张开速率CMOR(t)逐渐减小;第二阶段,CMOD(t)增大而CMOR(t)几乎不变;第三阶段,CMOD(t)和CMOR(t)都快速增大直至试件断裂破坏。与不考虑时间相关性的单调加载静态断裂试验相比,时变断裂试验的临界裂缝口张开位移CMOD(tc)偏大;随着恒荷载水平的增大,时变断裂临界裂缝口张开位移CMOD(tc)减小且接近单调加载静态断裂的临界裂缝口张开位移。对于不同恒荷载水平的试件,其时变断裂寿命tcr随着长期恒荷载水平的增大而减小,且时变断裂寿命tcr及最终裂缝口张开位移CMODf与荷载比P/Pmax成指数关系。(3)采取电阻应变片法监测了裂缝扩展,讨论了持载期间的等效裂缝扩展长度△a(t)。分析了裂缝口张开位移—等效裂缝长度CMOD(t)-a(t)曲线;比较了时变断裂与单调加载静态断裂的裂缝扩展。试验结果表明:采用电阻应变片法监测裂缝扩展时,可通过线性插值求得持载时间t时的等效裂缝长度值a(t);相应的CMOD(t)-a(t)曲线与CMOD(t)-t曲线变化趋势一致,且由两条曲线求得的转折点处的裂缝口张开位移及等效裂缝长度数值相对误差较小。与不考虑时间相关性的单调加载静态断裂试验相比,当等效裂缝扩展长度△a相同时,时变断裂裂缝口张开位移更大;且时变断裂试件最终断裂时的等效裂缝扩展长度af、裂缝口张开位移CMODf与临界等效裂缝扩展长度a(tc)、裂缝口张开位移CMOD(tc)均比单调加载静态断裂试验峰值点处的临界值ac、CMODc大。(4)采用线弹性法和线性卸载假设,通过弯矩—旋转角M-θ曲线求解了混凝土时变断裂过程中的能量耗散Π(t),根据临界裂缝长度求解了时变断裂临界能量释放率G(tc)。研究结果表明:对于长期恒荷载作用下的混凝土时变断裂,在不确定混凝土真实的卸载路径时,线弹性法不可用来求解断裂过程中的能量耗散问题,线性卸载假设法相对合理。试件时变断裂过程中能量耗散—持载时间Π(t)-t曲线与CMOD(t)-t曲线变化趋势一致,呈现出三个阶段的特征:第一阶段Π(t)增长速率逐渐减小;第二阶段Π(t)增长速率几乎不变;第三阶段Π(t)增长速率逐渐增大直至试件破坏。在时变断裂试验中,当试件能量释放率G>G(tc)时,裂缝进入失稳扩展阶段。与临界裂缝口张开位移CMOD(tc)类似,可作为试件时变断裂失稳破坏控制参数。
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