【摘 要】
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混凝土是当今构筑物中大量使用的材料,但是其抗压强度较高,抗拉强度较低,韧性较差,限制了其使用。钢纤维混凝土是在其中掺入直径较细,长度较短的钢纤维,组成的新型多相复合材料。钢纤维能较大程度的提高混凝土韧性,抗拉强度等,具有非常广阔的应用价值与市场前景。但是,对于钢纤维混凝土的断裂力学方面的研究尚未成熟,复合型断裂也尤为少见。所以,对钢纤维混凝土梁进行复合型断裂性能理论研究是非常有必要的。为了研究钢纤
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混凝土是当今构筑物中大量使用的材料,但是其抗压强度较高,抗拉强度较低,韧性较差,限制了其使用。钢纤维混凝土是在其中掺入直径较细,长度较短的钢纤维,组成的新型多相复合材料。钢纤维能较大程度的提高混凝土韧性,抗拉强度等,具有非常广阔的应用价值与市场前景。但是,对于钢纤维混凝土的断裂力学方面的研究尚未成熟,复合型断裂也尤为少见。所以,对钢纤维混凝土梁进行复合型断裂性能理论研究是非常有必要的。为了研究钢纤维混凝土的Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能,本文共制作了21组尺寸为400mm×100mm×100mm的梁试件,进行三点弯曲断裂试验。首先进行工作性能以及力学性能测试,探究钢纤维对混凝土性能的影响。本文试验控制变量为试件缝高比:0.2,0.3,0.4;纤维含量体积率:0,0.5%,1.0%,1.5%;支座偏移距离:0,40mm,60mm,80mm。采用电阻应变片法测量试件的起裂荷载Pini和断裂荷载Pmax。绘制荷载-应变曲线,分析断裂过程与普通混凝土的差异。采用数字图像相关法（DICM）分析裂纹扩展路径,计算裂缝口张开位移（CMOD）,裂缝尖端滑移位移（CTSD）,断裂过程区长度（FPZ）。通过绘制影响曲线,观察控制变量对上述参数的影响规律。采用ABAQUS有限元软件,计算试件的形状因子YⅠ,YⅡ,T应力。代入荷载值,计算试件的应力强度因子KⅠ,KⅡ,并且测量了试件的断裂角,研究了计算参数随3个控制变量的变化趋势。采用广义应变能密度因子准则（GSED）预测试件的断裂行为,并且将试验结果与理论预测结果进行对比,分析与没考虑T应力的各个准则的相对误差。具体结论如下:（1）经过工作性能测试,得到普通混凝土坍落度为60mm,1.5%钢纤维混凝土坍落度为40mm,符合工作性能要求。得到当掺入1.5%的钢纤维时,混凝土抗压强度提升了15.7%,劈裂抗拉强度提升了30.9%,弹性模量提升了2.2%。（2）通过电阻应变片法测得,当掺入1.5%钢纤维时,起裂荷载Pini和断裂荷载Pmax分别最大提高了73.5%,50.2%。而且,钢纤维混凝土断裂较普通混凝土延性更大,断裂曲线下降段更长。试验发现,钢纤维混凝土裂纹扩展具有多裂纹出现,裂纹间相互交错,失效方式为钢纤维从基体中滑移拔出。选取0.5%纤维含量的试件,当缝高比从0.2提高到0.4时,Pini与Pmax最高分别下降了38.9%和33.9%。当偏移了80mm时,Pini与Pmax最大提升了38.2%,39.2%。（3）计算得到了试件的CMOD,CTSD,FPZ值。随着缝高比的增大,CMOD,CTSD值均增大,FPZ值减小。随着支座偏心距离的增大,CTSD,FPZ的值都将增大,CMOD减小。随着纤维掺量的增加,CMOD最大提升了61.1%,CTSD提升了309%,FPZ值提升了124%。所以CMOD最大值发生在试件TPB-1.5-0.4-60上,为0.083mm;FPZ,CTSD分别在TPB-1.5-0.2-60,TPB-1.5-0.4-60达到最大值为48.06 mm,0.045mm。（4）采用ABAQUS软件计算得,形状因子YI,YⅡ,T*应力都随缝高比的增大而增大。YI在缝高比为0.2-0.3时,增长较慢,在0.3-0.4时,增长较快。YⅡ,T*应力都增长较均匀。随着支座偏移距离的增大,YI在0-40mm时下降较慢,在40-80mm时下降较快。YⅡ增长较均匀,缝高比为0.2试件增长最快。T*也应力增大,但是T*应力变化较小,YI,YⅡ变化较大。（5）计算得到0.5%纤维含量,缝高比为0.4的试件Ⅰ型断裂韧度为1.043MPa m√2。计算得到,试件的Bα值均小于0.375,传统MTS准则与有限元结合理论计算的KIC一致。当掺入1.5%钢纤维,支座偏移60mm时,断裂时的KⅠ比普通混凝土提升了33.76%,KⅡ提升了31.25%。计算得到,试件的应力强度因子随着缝高比的增大而增大,KⅠ最大提升了30.98%,KⅡ最大提升了70.58%。（6）当Me为0.7时,GSED准则,SED准则,MTS准则预测的断裂角与试验值相对误差为3.5%,25%,46%;当Me为0.9时,相对误差分别为2.1%,28%,51%。当试验值(KⅡ KⅠ=0.407)时,根据理论曲线,GSED,SED,MTS准则预测的相对误差为2.8%,16.1%,26.7%;当(KⅡ KⅠ=0.26)时,相误差分别为2.3%,19.8%,44.8%。综上可得,考虑T应力的准则要比不考虑的精确程度高很多,T应力在钢纤维混凝土复合型断裂中具有重要影响。
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