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1、第2 5 卷第2期土木工程学报1 9 9 2年4月混凝土结构裂缝扩展的双犬断裂准则徐世娘赵国藩(大连理工大学)【 提 要】本文在对大型紧凑拉伸试件断裂实验和光弹性贴片法观察结果进行分析的基础上,寻 找到适合 于裂缝扩展问题的K。阻力曲线断裂准则,提出了与此相等价且更为简单夹用的双K断裂准则。一、引言混凝土是一种多相复合材料,其破坏和断裂机理非常复杂。像高混凝土坝、海上石油平台和核反应堆的混凝土安全壳等大型建筑物,要求混凝土在更为复杂的环境下工作,这对于了解混凝土破坏和断裂机理,裂缝的发生、扩展过程,提出了更高的要求。. 因而已受到国内外广泛重视,并致力于寻找和建立适用于混凝土裂缝扩展问题的断裂
2、准则和判据。对于线弹性断裂问题,有单一参数的K 判据,能量释放率G判据。对于弹塑性断裂间题,有单一参数J积分判据,裂缝尖端张开位移判据。作者在最近采用激光散斑 照像法和光弹性贴片法对混凝土裂缝扩展的观察研究表明,混凝土裂缝有着稳定的扩展阶段渔,昌。它的破坏机理是:在荷载作用下,缝端局部 高应 力区将出现微裂缝区,随着荷载的增大和微裂缝区的增长,将会不断地形成主裂缝的起裂 和 扩展。对于这一现象采用什么样的断裂参数作为断裂准则,这将是本文所要讨论的间题。二、混凝土起裂断裂韧度K礼和等效断裂韧度K拓我们在文献3中采用大型紧凑拉伸试件进行了混凝土断裂试验。试件加载简图见文献3所示。采用l/ h=1.
3、0 ,了= =0.2 5/的非标准紧凑拉伸试件,其应力强度因子由下式计算”,- 一一/a、一8/2 八挤了h/ 尸= =3。6 75tl一一二 一, 、nl(1)式(1)的计算结果与文献4用边界配位法求得结果的最大误差为3.8写,这里0 .2K万。时,裂缝失德扩展。对于任何形状的结构, 我们总可以借助于解析解和有限元以及其它数值方法求出缝端的应力强度因子K:,根据裂缝扩展; 的双K准则判断该裂缝是处子尚未起裂,或是稳定扩展中,或是将要失稳的任何一种状态。这一问题,若采用FCM模型,就要消耗更多机时,这无疑是很不经济的。从原理上讲,双K断裂准则不仅适用于I型裂缝扩展向题,也适用于n、班型裂缝及更
4、为复杂的复合型裂缝扩展问题。特别是实际结构 中,复合型裂缝问题更为常见。近年国内外开始采用各种先进的测试技术观察混凝土n型裂缝的扩展过备发现混凝土1 1型裂缝不仅存在着类似于工型裂缝的稳定扩展阶段,_ 而且更为显著。这也从另一个侧面支持了上述推断。至于如何确定n、班型裂缝的起裂断裂韧度K盒。、尤知和临界扩展时的等效断裂韧度K:。、K 毒。以及更为复杂的复合型双式断裂准则 的具体表达式向题,则有待今后专门深入研究加以解决。文献7采用断裂力学方法对重力坝!坝面和坝踵水平裂缝的扩展进行了较为细致的研究,并采用石膏块体模型实验对重力坝的破坏机理进行了实验研究。结果表明,所模拟的重力坝坝踵处的水平裂缝呈
5、I、n复合型状态,裂缝扩展过程经历裂缝稳定至起裂,裂缝稳定扩展和整体失稳三个阶段。这与本文提出的双K断裂准则所描述的裂缝扩展三个阶段完全相符。这就从模型实验证实了双K断裂准则不但可用来描述I型裂缝扩展问题,也可用来描述复合型裂缝扩展问题。瑰以文献7对重力坝坝踵水平裂缝的应力强度因子有限元计算结果为例,简要说明双犬断裂准则在实际工程中的具体应用方法。文献7在图8中给出了当坝踵裂缝姆度“=lm时不同库水位条件下的应力强度因子Kl的计算结果。这里暂不考虑K。对裂缝扩展的影响(为便于说明问题),且假定该坝坝踵所采用的混凝土与本文实验所采用的混凝土相同,故 取尤登。=0.4 6MPa访而,尤贾。=2.“
6、MPa了面暂不考虑其他折减因素)。由文献7知,当库水位H二8 7m时,K:二0 .4 6MPa护而,H二9 5 m时,K:二2“MPa亿成于是可预侧当坝踵存在 长度a=lm 的水平裂缝时,若库水位H 9 5 m时,该裂缝将发生失稳护展,对坝体安全将产生极不利的影响。若考虑 凡的影响,相应的H值会有所不同。这里只是作为一个例子来说明其应用方法。采用双K断裂准则,还可以确定各个控制坝面在 不同库水位情况下的允许裂缝扩展长度。上例中,当库水位万二打功膝a二1脚就是该坝坝踵处水平裂缝的允许扩展长度。因而可她尤断裂堆则中的川。赫可作为确定允许裂缝扩展长度的材料指标,而K礼元夏。可作为顶等区,K扬则可作为
7、控制坝体基否发生失稳断裂的材料指标。五、结语1.按线弹性断裂力学公式,计人裂缝稳定扩展长度并由对应的最大荷载求得 了等效断裂韧度K 扬值。在试件高度达 到lm时,K夏。即为与试件无关的常数;而按初始 缝 长。和 最大荷载PT n a二按同一公式求 得的尤:。值,当试件高度达到Zm时,也成为与试 件尺寸无关的常数值。因此,对 混凝土来说,存在着类似金属的这里称之为满足小范围裂缝稳定扩展的条 件。2.在实验范 围内,对于不同尺寸的试件(试件高度lm 以上),存在着几乎完全相同的K:阻力曲线。这意味着混凝土裂缝的起裂稳定扩展和失稳破坏可用K。阻力曲线作为断裂准则加以描述。即对混凝土来说,当满足一定的
8、尺寸条件后,可 能存在着如下断裂准则:当K=K 早。时,裂缝起裂,当器萄杂)时,裂缝失稳破坏。3.在实验范围内发现,当试件高度达到lm时,由初始缝长和起裂荷载计算的起裂断裂韧度K赞。值与试件尺寸无关。.KR阻力曲线上的切点也就是满足上面所说的等效断裂韧度尤扬。因此,对于大尺寸混凝土结构的采用更为简单的双尤断裂准则,即当K二K: 。时,裂缝起裂,X;昙K K:石时,裂缝稳定扩展,KK:乙时,裂缝 失稳扩展。鉴二称)的、,即为I型裂缝 扩展间题来说,可4.为了将双K断裂准则应用于实际结构中更为常见的复合型裂缝护展向题,还需进一步研究如何确定1 1、班型裂缝的起裂断裂韧度K:。、K:。和临界扩展时的
9、等效断裂韧度K二。、K 扣以及更为复杂的复合型双K断裂谁则的具体表达式。飞徐世娘,赵国落:4期。徐世娘,赵国落:徐世浪,赵国藩,24卷第2期。参考文献混凝土裂缝的稳定扩展过程与临界裂缝尖端张开位移,水利学报,1989年第23光弹性贴片法研究混凝土裂缝扩展过程,水力发电学报,199 1年第3期。巨型试件断裂韧度和高混凝土坝断裂 韧度准则,土木工程学报,199 1年5月,们陈跳,蔡其巩,王仁智:工程断裂力学,国防工业出版社,1977年。rsA.Hille rborg:Analyoioof onesihgleCra ck,inFraetur eMe eha n主esofConerete(edited
10、bvP.H.Wittmann),E lseviersciencepubliohersa.V.,TheNe七he rlands,P P.223一2吐9(i, 8 3).6王凤 翼,赵国藩,徐世娘,刘毅:大骨料全级配混舞 土断裂能和断裂韧度,大连理工大学,国家七五重点科技攻关项月17,2一13专题研究报告,1989年1 2月。7赵中极:重 力坝坝面和坝踵水平裂缝 的断裂力学分析,水利学报,工。8 2擎6期。ADOUBL E一KFRACTU REC R ITERIONFORTHEC RACKPROPA GAT 鑫ONINCO NC昧ETESTR UC TURE SXuSh百Ia 月夕艺ha oG“o
11、fan( DalianUniver 日i无yofTechnologyAb日tra。七On毛 h仑ba:i吕of愁e 日七.byus eofla s erope ek le,hotogr aphy,photoelaotioeo a七-ingandstrainga ugetechniqueandlargesiz eeom时e七七e众sionsPe e盆mons,Itwasfound七 ha七aK,一resistaneecurvec anbe七akonaaafraetureeri七erionintheanalysi吕ofe r a ekPr opagationinconcr e七estructur
12、e s。A日are日ult,adaub-le一Kfra ctur eori七e rionequivalen七七。七heK一re slotaneeaurve,but单ore.imple randprac七ieali日propo sedinthispaper。K丁c15七akenasafr a ctur epa ramete rtode匀eribethebeginningof七hemainc ra ckint hee onore七es七ruo-tur ea且dK 口15takentode 吕c ribe七heun日七ablefra c七urainthetrue七ur e。第五届全国折板结构与建筑学
13、术交流会在珠海市召开由中国土木 工程学会桥梁及结构工程学会空间结构委员会组织召开的第五届全国折板结构与建筑学术 交流会,于1 9 91年n 月2。2 4日在广东省 珠海市召开。出席此次会议代表共计七十五名,分别来自2 2 个省市5 2个单位,代表面的广泛性及行业的分布广度 是 空前的。会上交 流 了近3 0篇不同类型的折板结构及建筑技术论文,还组织与会代表作大会专题发言,交流近几年来折板结构的研究和应用的经验,如折板屋盖在洪都拉斯的发展和应用、折 板结构在粮食仓库中的应用的经验、3 6米预应力混凝土雁形板、折板结构在高烈度地震区的应用、多层全折板建筑体系、可调基础在全折板单层厂房中的应用和试验、悬挑7m折板屋盖的试验设计与施工、折板结构的应用及其施工中应注意的若千向题以及折迭式预应力槽形折板属盖等。此次会上对折板结构的好的掩口处理及美观造型也作了介绍。会议期间还邀请了预应力结构专家杜拱辰总工程师及混凝土结构设计规范编制组成员黄成若高级工程师分别介绍了顶应力结构新技术及新规范的修改内容,受到与会代表的欢迎。(中国建筑标准设计研究所杨磅供稿)
