长期荷载条件下混凝土断裂特性研究

发布时间：2020-08-05 09:02

【摘要】：由于混凝土材料抗拉强度低,在施工和正常使用过程中很容易产生初始微裂缝,这些初始裂缝在持续荷载作用下有可能进一步扩展,最终导致结构破坏。对于混凝土材料,裂缝的扩展与断裂过程区的发展密切相关。在持续荷载作用下,由于材料的粘弹性和断裂过程区内粘聚力的松弛效应,使得混凝土的断裂特性具有时变性。在此条件下,由实验室准静态加载下建立的裂缝稳定性评价方法是否能准确评估长期荷载作用后混凝土的断裂特性是值得研究的。因此,研究长期荷载作用下混凝土的断裂性能、粘聚力关系及断裂过程区的变化对负载条件下混凝土结构的安全性评价有重要的理论和工程意义,对处于正常使用阶段工程的维修加固有重要的指导作用。为此,本文开展了如下的研究内容:(1)长期荷载对混凝土断裂性能影响的试验研究对带预制裂缝的混凝土梁进行了不同应力水平(30%峰值荷载P_(max)和起裂荷载P_(ini))和不同试件尺寸(小梁500 mm×100 mm×100 mm、中梁900 mm×200 mm×100 mm和大梁1300 mm×300 mm×100 mm)的弯曲徐变试验。试验结果表明,30%极限荷载应力水平下,试件中裂缝没有发生扩展,徐变位移随试件尺寸增大而增大,而起裂荷载应力水平下,试件中裂缝产生扩展。在徐变试验结束后,立即进行三点弯曲梁试验。结果表明,30%极限荷载应力水平下,小梁的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度与伴随件相比几乎不变(少量增加),中梁和大梁的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度提高;P_(ini)应力水平下,小梁的临界裂缝扩展长度和失稳断裂韧度增大;试件断裂能不受徐变影响且考虑应力松弛效应计算得到的起裂断裂韧度值几乎与伴随件相同。(2)长期荷载作用后试件拉伸软化本构关系的确定对于伴随试件和30%峰值荷载应力水平试件,结合三点弯曲梁试验测得的荷载-加载点位移曲线,采用改进的J积分方法计算裂缝扩展过程中的能量损耗,建立基于虚拟裂缝粘聚力的能量守恒关系,确定了混凝土的拉伸软化曲线。对于起裂荷载应力水平试件,徐变过程中发生了裂缝的扩展,在计算时考虑了徐变裂缝断裂过程区的粘聚力松弛效应。基于得到的曲线型软化关系,提出了双线性的粘聚力表达式。计算结果表明,30%极限荷载应力水平对拉伸软化关系影响不大。但是,持续起裂荷载作用后,双线性关系转折点处的位移增大,临界裂缝张开位移值减少。(3)采用DIC测量长期荷载作用后三点弯曲梁试件的裂缝扩展过程采用数字图像相关法(DIC)对徐变后试件的断裂过程区进行测量,在确定起裂荷载应力水平试件断裂过程区内微裂缝的张开位移值时考虑了徐变荷载卸载后试件的残余变形。试验结果表明:30%极限荷载应力水平对试件裂缝扩展长度和断裂过程区长度的影响不大。但是,起裂荷载应力水平下,在达到完整断裂过程区长度前,裂缝扩展长度比伴随件大6.5%。在达到完整断裂过程区长度后,裂缝扩展长度与伴随件相比差别不大,断裂过程区长度比伴随件小7.1%。(4)长期荷载作用后试件的裂缝扩展过程数值模拟使用虚拟裂缝模型,结合本文计算得到的拉伸软化本构关系,考虑徐变裂缝断裂过程区的粘聚力松弛效应,引入基于起裂断裂韧度的裂缝扩展准则,对长期荷载作用后试件裂缝扩展全过程进行数值模拟,将计算的P-CMOD曲线与试验测量曲线对比吻合良好,验证了本文软化关系计算的准确性和考虑长期荷载作用的裂缝扩展全过程数值方法的可行性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU37

【参考文献】