CN109916739A - 一种测定混凝土i-ii复合型裂缝荷载-位移全曲线的方法 - Google Patents

一种测定混凝土i-ii复合型裂缝荷载-位移全曲线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测定混凝土I‑II复合型裂缝荷载‑位移全曲线的方法，属于混凝土断裂试验技术领域。该新的试验方法中，在传统三点弯曲梁混凝土试件跨中切割直角折线型裂缝，得到改进后的三点弯曲梁混凝土试件，裂缝水平和竖直方向长度相同，且其折点做圆弧处理；初始缝高比a/h为0.2～0.5，圆弧的曲率ρ的取值范围为1/a～15/a；试验采用三点加载，通过试验机对改进后的三点弯曲梁混凝土试件跨中施加荷载，实现预定的加载方案，得到荷载‑位移全曲线。本试验方试件初始裂缝尖端的KⅡ/KI较大，而且在简单的试验操作下可测得荷载‑位移全曲线，能够准确有效地验证数值模拟的结果，对检验混凝土I‑II复合型断裂分析模型和数值分析理论的正确性具有一定的参考价值。

Description

一种测定混凝土I-II复合型裂缝荷载-位移全曲线的方法
技术领域
本发明属于混凝土断裂试验技术领域，涉及一种采用跨中带直角折线型裂缝的三点弯曲梁进行混凝土I-II复合型断裂试验的方法以测定其荷载-位移全曲线。
背景技术
国内外学者常采用数值模拟和试验相结合进行混凝土I-II复合型断裂理论的研究，并将荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)、荷载裂缝口剪切位移(P-CMSD)曲线作为对比对象。到目前为止，国内外已系统地开展了混凝土I-II复合型断裂试验，所采用的试验方法根据试件型式分为：板式试件、棱柱体试件以及梁式试件(直偏裂缝三点弯曲梁、斜偏裂缝三点弯曲梁、四点剪切梁)。
(1)对于双边缺口板的测试[Noorumohamed M B.Mixed-mode fracture ofconcrete:An experimental approach[J].Thesis Technische Univ,1992.]。这种试件技术存在如下问题：试件型式较为独特，试验未测得荷载-位移曲线的下降段，且试验操作复杂，试件尺寸受加载装置限制。
(2)对于棱柱体试件的测试[Hassanzadeh M.Determination of fracture zoneproperties in mixed mode I and II[J].Engineering Fracture Mechanics,1990,35(4):845-853.]。这种棱柱体试件技术存在如下问题：虽然试件便于制作，能测得荷载-位移全曲线，但试验操作过程复杂，而且为了防止偏心，需保证试验装置具有足够的抗扭刚度，。
(3)对于直偏裂缝三点弯曲梁的测试[Jenq Y S,Shah S P.Mixed-mode fractureof concrete[J].International Journal of Fracture,1988,38(2):123-142.]。这种直偏裂缝三点弯梁试件技术存在如下问题：虽然此试件同样便于制作，试验设备要求简单，而且同一试件既可用于I型断裂试验，也可用于I-II复合型断裂试验，但是该试验只能测得试件初始裂缝尖端I型应力强度因子与II型应力强度因子之比(KⅡ/KI)较小时的荷载-位移全曲线。
(4)对于斜偏裂缝三点弯曲梁的测试[徐道远,梁正平,王德峻等.混凝土I、II型复合裂纹断裂判据的探讨[J].水利学报,1982，(6):59-63.]。这种斜偏裂缝三点弯梁试件技术存在如下问题：虽然试验能够得到较大的KⅡ/KI，但需同时改变初始裂缝和加载点的位置，试验操作困难，而且此试验未测得荷载-位移全曲线。
(5)对于四点剪切梁的测试[Zhong H,Ooi E T,Song C,et al.Experimental andnumerical study of the dependency of interface fracture in concrete-rockspecimens on mode mixity[J].Engineering Fracture Mechanics,2014,124:287-309.]、[Dong W,Wu Z,Zhou X,et al.FPZ evolution of mixed mode fracture inconcrete:Experimental and numerical[J].Engineering Failure Analysis,2017,75:54-70.]。这种四点剪切梁试件技术存在如下问题：虽然试件便于制作，同一形式的试件即可用于纯II型断裂试验，也可用于I-II复合型断裂试验，且改变初始裂缝位置即可得到KⅡ/KI，但试验不能测得荷载-位移曲线的下降段。[Arrea M.Mixed-mode crack propagationin mortar and concrete[J].Dept.of Struct.Engrg.Rep.,1981:81-13.]、[Gálvez J C,Elices M,Guinea G V,et al.Mixed mode fracture of concrete under proportionaland nonproportional loading[J].International Journal of Fracture,1998,94(3):267-284.]中试验测得了荷载-位移全曲线，但试验操作困难。因此，四点剪切梁试件技术很难验证数值模拟得到的荷载-位移曲线下降段的正确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单的混凝土I-II复合型断裂试验方法，不仅能够解决直偏裂缝三点弯曲梁试件技术无法得到较大KⅡ/KI的问题，还能解决KⅡ/KI较大时四点剪切梁试件技术很难得到荷载-位移曲线下降段的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测定混凝土I-II复合型裂缝荷载-位移全曲线的方法，该方法包括以下步骤：
第一步，基于三点弯曲梁混凝土试件，于跨中切割直角折线型裂缝1，得到改进后的三点弯曲梁混凝土试件2。所述的直角折线型裂缝1的水平方向裂缝与竖直方向裂缝的长度相同，为保证直角折线型裂缝1先在裂缝尖端扩展，其折点做圆弧处理。将改进后的三点弯曲梁混凝土试件2的初始缝高比a/h以及直角折线型裂缝1圆弧的曲率ρ作为变量，建立跨中带直角折线型裂缝1的三点弯曲梁平面有限元模型，根据最大拉应力准则进行计算，比较裂缝区域各节点的应力得到：当初始缝高比a/h为0.2～0.5时，圆弧的曲率ρ的取值范围为1/a～15/a时，直角折线型裂缝2先从裂缝尖端扩展。改进后的三点弯曲梁混凝土试件2初始裂缝尖端的KⅡ/KI最大为1.23。其中，a为初始裂缝水平方向、竖直方向的长度；h为试件高度。
第二步，试验采用三点加载，通过试验机对改进后的三点弯曲梁混凝土试件2跨中施加荷载，实现预定的加载方案，记录荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)、荷载裂缝口剪切位移(P-CMSD)全曲线。
本发明的效果和益处是：在混凝土I-II复合型断裂试验中，同以往的试验方法相比，本试验方试件初始裂缝尖端的KⅡ/KI较大，而且在简单的试验操作下可测得荷载-位移全曲线(P-CMOD、P-CMSD)，能够准确有效地验证数值模拟的结果，对检验混凝土I-II复合型断裂分析模型和数值分析理论的正确性具有一定的参考价值。
附图说明
图1为直角折线型裂缝的详图；图中，R为直角折线型裂缝圆弧的曲率半径，ρ为直角折线型裂缝圆弧的曲率，a为初始裂缝水平方向的长度、竖直方向的长度。
图2为改进后的三点弯曲梁的几何形状；(a)为三点弯曲梁平面图，(b)为A-A剖面图；图中，h为试件的高度，l为试件的长度，b为试件的宽度。
图3为本发明在混凝土I-II复合型断裂试验中加载示意图。
图4为荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)、荷载裂缝口剪切位移(P-CMSD)全曲线关系图。
图1-3中：1直角折线型裂缝；2改进后的三点弯曲梁混凝土试件。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
参见图1-3，在传统的三点弯曲梁混凝土试件跨中切割具有90°弯折角的直角折线型裂缝1，得到改进后的三点弯曲梁混凝土试件2。采用改进后的三点弯梁混凝土试件2测试荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)、荷载裂缝口剪切位移(P-CMSD)全曲线，取3个尺寸为l×b×h＝700mm×40mm×150mm的三点弯曲梁，于跨中切割直角折线型裂缝1，其初始裂缝水平方向和竖直方向的长度均为a＝45mm，并在折点做圆弧处理，裂缝圆弧的曲率ρ为1/45。试验采用三点加载，通过试验机对试件跨中施加荷载，实现预定的加载方案。直角折线型裂缝1均从裂缝尖端开始扩展，试验测得荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)、荷载裂缝口剪切位移(P-CMSD)全曲线4。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种测定混凝土I-II复合型裂缝荷载-位移全曲线的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，基于三点弯曲梁混凝土试件，于跨中切割直角折线型裂缝，得到改进后的三点弯曲梁混凝土试件；所述的直角折线型裂缝的水平方向裂缝与竖直方向裂缝的长度相同，为保证直角折线型裂缝先在裂缝尖端扩展，其折点做圆弧处理；改进后的三点弯曲梁混凝土试件的初始缝高比a/h为0.2～0.5，圆弧的曲率ρ的取值范围为1/a～15/a，直角折线型裂缝先从裂缝尖端扩展；其中，a为初始裂缝水平方向、竖直方向的长度；h为试件高度；
第二步，试验采用三点加载，通过试验机对改进后的三点弯曲梁混凝土试件跨中施加荷载，实现预定的加载方案，得到荷载-裂缝口张开位移P-CMOD、荷载裂缝口剪切位移P-CMSD全曲线。
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