不同压应力水平及持载时间后混凝土断裂性能研究

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混凝土结构在服役阶段需承受自重、温度应力和水压力等长期荷载作用。现有研究表明,持续复杂应力条件和环境耦合作用会诱发混凝土内部初始微裂缝的扩展,导致材料宏观力学性能发生改变。随着服役年限的增加,结构内部变形不断发展,混凝土抗裂性能也随之改变。此时,从短期静态试验中获得的材料性能参数便不再适用于去准确评估长期荷载作用下的结构抗力。因此对长期荷载作用下混凝土断裂特性进行研究,分析受压徐变对混凝土断裂参数、粘聚力关系和裂缝扩展过程的影响,可在评估服役期混凝土结构安全性的工作中发挥一定的指导作用。基于此,本文开展了如下工作:(1)轴压徐变试验开展基本徐变试验,试验所用试件尺寸均为100mm×100mm×330mm。为研究不同应力水平对断裂性能影响的规律,对0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc四种应力水平作用的试件持载三个月,另外对0.4fc和0.6fc应力水平作用的试件分别持载一个月、三个月和六个月来探究持载时间对断裂性能的影响。通过轴压徐变试验可知,徐变应变大都发生在徐变早期,后期应变发展缓慢。当应力水平小于0.4fc时,混凝土的徐变系数比较接近,可认为混凝土发生了线性徐变;当应力水平超过0.4fc后,徐变系数随着应力水平的增加而提高,不再是线性徐变范围。(2)三点弯曲梁试验轴压徐变试验结束后,立刻进行三点弯曲梁I型断裂试验,获得混凝土断裂参数。断裂试验结束后,将非断裂区域的混凝土切割为标准试件后进行基本力学性能试验,分析受压徐变对混凝土基本力学性能的影响规律。对断裂试验数据进行分析可知持续受压后混凝土的起裂韧度和断裂能较伴随试件均有所提高,但失稳韧度和临界裂缝扩展长度有明显降低,说明试件在持续受压后表现出脆性增强的性能。从试件的起裂荷载与极限荷载的比值也可以看出承受长期受压荷载作用后混凝土开裂即接近破坏,试件的安全储备有所降低。(3)受压徐变后混凝土的拉伸软化曲线推导根据混凝土三点弯曲梁试验获得I型断裂试验数据,采用Niwa提出的改进的J积分方法,推导出经历不同加载历史后试件的拉伸软化本构关系,并对双线性软化本构模型中转折点的变化规律进行拟合,给出β随混凝土抗压强度变化的表达式。由结果可知:压应力作用后试件的w0较伴随试件均有所降低,最高下降了57%,但0.8fc应力水平下决定软化曲线形状参数β的变化较0.4fc和0.6fc应力水平表现出不同的趋势。(4)受压徐变后混凝土的裂缝扩展过程数值模拟使用ANSYS有限元分析软件对受压徐变后混凝土三点弯曲梁的裂缝扩展过程进行数值模拟,并将计算得到的荷载-裂缝口张开位移曲线与试验获得的曲线进行对比分析,结果表明二者吻合良好。该结论验证了本文推导的拉伸软化本构关系的正确性以及基于起裂断裂韧度方法来模拟长期受压后混凝土裂缝扩展过程的可行性。
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