基于不同模型确定混凝土断裂性能的对比分析

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由于混凝土等准脆性材料初始裂缝尖端存在不可忽略的断裂过程区,因此不能直接应用线弹性断裂力学理论。各国研究人员相继提出了一系列修正的线弹性断裂力学模型,从应力强度因子和能量释放率两个角度对混凝土等材料的断裂性能进行分析,且均得到了验证与认可,但常用混凝土断裂模型之间还未有过综合的比较。另外,近年来比较受研究者们青睐的边界效应理论并没有对起裂韧度的深入探讨,且其无法预测对比不同材料的断裂破坏。本文通过理论推导及已有试验数据的计算比较,对边界效应理论及常用混凝土断裂模型进行分析和探讨,主要研究内容与结论如下:(1)对边界效应模型进一步扩展,推导出起裂断裂能G0和起裂韧度KΙcini的计算公式,将混凝土起裂性能与表征其高度不均匀性的最大骨料粒径dmax相联系,利用不同几何形式的试件研究了边界效应模型中临界失稳韧度KΙc和起裂韧度KΙcini及二者比值的几何效应。结果表明,新提出的起裂韧度公式能够准确地描述混凝土的起裂性能,且两断裂韧度及二者比值均与试件几何形状无关,KΙcini/KΙc与最大骨料粒径也无关,而与特征裂缝长度和最大骨料粒径的比值a∞*/dmax有关,可视为材料特性。另外,KΙcini对离散系数β的取值较为敏感,其与β的关系可以用一个三次多项式拟合。(2)在强度、试件尺寸W、初始缝高比α0三个变量下,分别通过有效裂缝模型(ECM)、尺寸效应模型(SEM)、双K断裂模型(DKFM)、边界效应模型(BEM)、杨树桐解析理论(YST)及断裂极值理论(FET)计算了文献中试验数据的起裂韧度KΙcini、失稳韧度KΙc、等效弹性裂缝扩展长度?ac和临界裂缝尖端张开位移CTODc,对不同模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,各模型之间?ac和CTODc的离散性最大,KΙc的离散性最小,且各模型局部参数随各影响因素的变化趋势基本相近但变化幅度差异较明显。此外,断裂极值理论与杨树桐解析理论的各参数在大部分情况下均小于双K断裂模型的相应值。另外,双K断裂模型和有效裂缝模型的?ac和CTODc与在最大骨料粒径dmax变大时显著增大。(3)在试件尺寸W改变和初始缝高比α0改变两种情况下,分别通过尾部曲线修正法、扰动韧带模型(PLM)、双线性模型(BLM)、光滑曲线模型和多重分形尺度律(MFSL)对断裂功法计算的断裂能Gf进行了修正或优化,得到了与尺寸无关的断裂能GF和边界影响长度。结果表明,当固定某个初始缝高比时由PLM、BLM和光滑曲线模型得到的GF仍随缝高比的变化而变化,但影响长度基本不变;而在固定某个试件尺寸后得到的GF与试件尺寸无关,但影响长度随尺寸的增大而增大。而且三种优化模型的影响长度总是呈现倍数关系。另外,尾部曲线修正法并不适用于小缝高比和大尺寸的试件,PLM、BLM和光滑曲线模型受试验数据影响较大,在试验数据足够多且范围足够大时,才可以优化得到较为准确的断裂能GF。(4)基于边界效应理论定义的等效裂缝长度ae和特征裂缝长度a∞*两参数,利用量纲分析法提出了一个表征无量纲名义应力σ?和无量纲裂缝长度a?关系的无量纲断裂模型,该模型可以通过试验测得的峰值荷载计算得到名义应力,进而线性拟合得到抗拉强度ft和断裂韧度KΙc,并用文献中试验数据进行了验证和分析。结果表明,无量纲模型得到的KΙc和ft均略大于尺寸效应模型和边界效应模型的相应结果,但是该无量纲模型可以准确地描述强度理论和线弹性断裂理论之间的过渡区域,混凝土试验的大多试验数据均位于理论破坏曲线两侧。此外,无量纲模型的破坏曲线与材料性质a∞*无关,可以描述和比较任何准脆性材料的断裂破坏,而试验数据点会随着a∞*的增大更加远离线弹性断裂准则。该模型拟合的断裂参数结果对断裂过程区上黏聚应力的分布形状也不敏感。
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