CN116026213A - 钢纤维混凝土应变场测量方法及本构关系构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工程材料力学性能测定技术领域，公开了一种钢纤维混凝土应变场测量方法，首先确定待测钢纤维混凝土构件微裂缝影响范围宽度；然后通过连续加载过程获取荷载‑开口宽度曲线(即F‑CMOD曲线)及散斑变形数据，通过散斑变形数据获得应变分布。该应变场测量方法为非接触测量，可满足对钢纤维混凝土构件大开裂变形条件下的应变持续测量的需要，并能完全捕捉主裂缝发展路径上的应变分布情况。本发明还公开了一种钢纤维混凝土应力‑应变本构关系构建方法，规避了微观分析中随机因素众多导致的困难，有利于钢纤维混凝土的工程化应用。
Description
技术领域
本发明属于工程材料力学性能测定技术领域，涉及可用于盾构隧道管片的钢纤维混凝土开裂前后应变场测量技术。
背景技术
普通混凝土是一种多相多组分的非均质脆性材料，主要由粗骨料、细骨料、水泥砂浆等组分构成。在混凝土浇筑成型的过程中，因脱水和各组分之间的收缩率不一致等原因，在混凝土内部，会出现大量的微裂纹或微孔洞，在加载受力的过程中，这些微缺陷都会成为裂纹源，且在裂纹尖端区域出现应力集中现象。当裂纹尖端区域的应力超过材料强度时，裂纹就会急剧扩展。裂纹先各自演化发展，并最终相互贯穿，形成宏观裂纹并导致材料断裂破坏。如果将钢纤维加入到混凝土基体中，将有效地抑制微裂缝扩展及宏观裂缝形成，使得混凝土的强度和韧性得到增强。
既往对钢纤维混凝土性能研究的主要方法是通过分析钢纤维和混凝土在微观上的相互作用原理，进而研究整个复合材料体的力学性能，但钢纤维混凝土最大的特点就是其组成是由钢纤维、硬化水泥浆和粗、细骨料等构成的多相复合结构，这一特点决定了钢纤维混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。这种非均质的多相复合结构使得其在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的，导致了从微观致宏观分析的困难，因此，对钢纤维混凝土的材料力学分析需要从构件试验过程的宏观现象出发，将钢纤维混凝土视为一种含有微损伤的连续介质，将实际构件中离散的裂缝均匀化，通过试验直接获取应力-应变关系曲线，达到对钢纤维混凝土的增强增韧性能的定量分析的目的。
但基于宏观损伤的钢纤维混凝土性能分析也面临有以下问题：一是需要将离散的裂缝宽度均匀化到裂缝的整个影响范围，但由于宏观裂缝自身的开裂宽度远大于周边微裂缝，常规的应变测试方法由于精度不足，无法及时捕捉产生的微裂缝，也就无法测定裂缝的影响范围；二是钢纤维混凝土在破坏之前有一个缓慢而稳定的裂缝扩展过程，即使其裂缝宽度达到3-4mm后，构件仍具有可靠的承载强度，因此，要完整的测定钢纤维混凝土的力学性能，需要对构件在大开裂变形条件下的应变进行持续的测量，而现有的应变片量程无法达到这一要求；三是钢纤维混凝土中纤维乱向分布和局部微损伤等因素，使得轴向拉伸试验的测量结果离散程度极大，需要通过弯曲试验获取较稳定的试验结果，而要将弯曲试验结果转化为钢纤维混凝土材料应力-应变本构关系，又需要提出对应的转化分析方法。
发明内容
针对现有应变测试方法测量精度和量程有限，尤其是无法实现对钢纤维混凝土开裂后应变测量的技术现状，本发明的目的在于提供一种钢纤维混凝土应变场测量方法，能够实现对钢纤维混凝土裂变前后持续测量。
本发明的另一目的在于提供一种基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法。
本发明的发明思路为：首先通过光纤传感器确定微裂缝位置及其影响范围宽度；然后通过连续加载过程获取荷载-开口宽度曲线(即F-CMOD曲线)及散斑变形数据，通过散斑变形数据获得应变分布；最后，基于F-CMOD曲线和应变分布，得到钢纤维混凝土的应力-应变本构关系曲线。
为了达到上述目的，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
本发明提供的钢纤维混凝土应变场测量方法，包括以下步骤：
S1确定待测钢纤维混凝土构件微裂缝影响范围宽度；该步骤包括以下分步骤：
S11将光纤传感器往复折返等分为至少三段等间距贴附于待测钢纤维混凝土构件沿长度方向、且与测试过程中受力面相对的面，同时光纤传感器覆盖该面的中间区域；
S12将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，将分配梁置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，分配梁底部两个万向加载轴对准两个支座之间的三分点位置(即三等分点位置)；
S13启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，直至光纤绷断；加荷载期间，对光纤传感器进行实时采集；
S14依据光纤传感器测量到的波长数据，获取钢纤维混凝土应变测试结果，进而确定微裂缝影响范围宽度；
S2测量待测钢纤维混凝土构件开裂前后应变场，该步骤包括以下分步骤：
S21采用与步骤S1完全相同的钢纤维混凝土构件，在测试受力面相对面的中心，做割缝处理；在割缝处安装测量割缝开口变化的引伸计传感器；
S22将待测钢纤维混凝土构件与受力面相邻的侧表面喷涂背景色涂料，然后在侧表面监测区域喷涂对比色涂料；所述监测区域覆盖步骤S1所确定的微裂缝影响范围；
S23将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，并将万向加载轴置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，万向加载轴对准构件中心位置(即割缝正上方位置)；
S24启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，采用引伸计所测得的割缝开口变化率控制加载，直至开口宽度变化达到预设上限，结束加载；加荷载期间，实时采集引伸计传感器数据和包含监测区域的图像数据；
S25依据引伸计传感器数据，获得荷载-开口宽度曲线，即F-CMOD曲线；
S26依据包含监测区域的图像数据，获取散斑变形数据，生成钢纤维混凝土的应变云图，进而得到与F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变和沿割缝所在截面的截面高度的应变分布。
上述步骤S1是为了利用光纤传感器确定待测钢纤维混凝土构件微裂缝位置及其影响范围宽度。本步骤中使用的光纤传感器为剥去光纤保护层的裸线，利用胶粘剂将裸线粘贴于测试过程中受力面相对的面上。光纤优选为布拉格光纤。
上述步骤S11中，所述中间区域为自待测钢纤维混凝土构件中间位置向两侧延伸相同距离所构成的区域；在优选实现方式中，在待测钢纤维混凝土构件受力面相对的面中间区域宽度范围等间距粘贴三道布拉格光纤(光纤长度略大于中间区域长度，以保证测量精度)。
上述步骤S12中，使用的试验机为电子万能试验机。首先调整电子万能试验机的两个支座间的间距；然后将待测钢纤维混凝土构件对称置于两个支座上；再将分配梁置于待测钢纤维混凝土构件受力面上，分配梁底部两个万向加载轴(该轴可以在垂直于构件轴线方向滚动和前后自由倾斜)对准两个支座之间的三分点位置(即三等分点位置)；通过预加荷载使分配梁压紧待测构件，之后将试验机测试到的加载数值清零。
上述步骤S13中，按照分配梁移动速率控制加载，移动速率为0.1mm/s。荷载施加过程中，需要实时观察微裂缝展开位置，裂缝应在两个万向加载轴对应两个加载点之间展开方为有效。在启动电子万能试验机的同时，光纤传感器的数据采集也要同步启动，且数据采样应连续自动完成。
在加载过程中，钢纤维混凝土内部微裂缝开始发展并逐渐形成宏观裂缝，钢纤维开始发挥桥接作用；在这一阶段，高精度的光纤传感器(测量的采集精度可以达到2-3pm，能够识别微小应变)可精确捕捉应变影响范围内细小的微裂缝组，并可将测得的裂缝组平均间距作为理论分析中离散裂缝的微裂缝影响范围宽度。
上述步骤S14中，首先依据光纤传感器测量到的波长数据，确定未加载荷载时的波长，再依据加载过程中测量的波长，可以得到波长变化量；以波长变化量与未加载荷载时的波长比值作为应变。
上述步骤S2是为了通过对待测钢纤维混凝土构件裂缝加载测试，获取钢纤维混凝土构件开裂前后F-CMOD曲线及F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变和沿截面高度的应变分布。
上述步骤S21中，割缝处理是在待测钢纤维混凝土构件受力面相对面中间位置沿宽度方向进行割缝，割缝宽度为2-3mm，深度为24-26mm。
上述步骤S22中，背景色涂料和对比色需要使用能够形成明显对比的颜色；背景色涂料可以选自白色涂料、银色涂料等；对比色涂料可以选自黑色涂料、深棕色涂料等；对比色涂料用于后期图像处理，作为对比散斑。
上述步骤S24中，采用引伸计所测得的割缝开口变化率控制加载，按照0.1mm/min的开口变化率，控制试验机向待测钢纤维混凝土构件施加荷载。
为了采集图像，需在构件喷涂背景色和对比色的侧表面前方架设两台高速摄像机，并将相机镜头对焦构件监测区域，基于两个相机拍摄图像可以通过三维标定板对构件图像进行校正处理，使得与计算机连接的屏幕上清晰显示构件表面的散斑图，从而实现对构件施加荷载前后图像的采集。
在启动电子万能试验机的同时，引伸计传感器和高速摄像机的数据采集也要同步启动，且数据采样应连续自动完成。因为高速摄像机和引伸计传感器的数据采集是同步进行的，所以两种测量结果可以共同反映构件同一时刻点的状态。
上述步骤S26中，通过分析构件侧表面散斑点在发生变形前后的数字图像数据，可得到被测物体表面散斑的位移矢量，对比变形前后的各方向散斑位移可获得全场位移信息，进而计算得到构件表面各个位置应变。
以步骤S1得到的微裂缝影响宽度范围为基准，在没有施加荷载时的应变云图(即散斑点没有发生形变)中割缝左右对称位置标记若干散斑点；然后基于F-CMOD曲线，确定相应荷载时的应变云图，将其与没有施加荷载时的应变云图进行对比计算，得到相应荷载下割缝所在截面割缝顶端以上部分(即截面高度)的应变分布，并将截面高度应变分布的平均值作为F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变。
本发明进一步提供了一种基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，包括以下步骤：
S3依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线，将钢纤维混凝土构件破坏过程分为五个阶段，并确定五个阶段的四个分界时刻；所述五个阶段分别为：全截面弹性阶段、初始微裂缝扩展阶段、宏观裂缝扩展阶段、钢纤维作用阶段和钢纤维失效阶段；
S4依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变，确定四个分界时刻所对应的裂缝影响范围宽度内的平均应变；
S5分别获取四个分界时刻对应的应力-应变；具体为：首先确定四个分界时刻所对应的弯矩，然后根据应力与弯矩的关系，确定分界时刻对应的应力，进而确定应力与应变对应关系；
S6将四个分界时刻的应力-应变在应力空间中相连，即可得到钢纤维混凝土的应力-应变本构关系曲线。
上述步骤S3中，钢纤维混凝土构件割缝的顶端处(即割缝所在截面的截面下缘)，从开始加载至结束，其应力和应变相应的从零逐渐增大，并始终服从材料的受拉应力-应变关系，即在此处，材料点遍历了其应力-应变关系的完整过程，故通过对构件受弯破坏过程中，各阶段控制时刻的试验结果进行分析，得到控制时刻的构件割缝顶端处的应力-应变大小，即可建立材料的受拉本构模型。将四个分界时刻定义为A、B、C、D；全截面弹性阶段：是指微裂缝产生前，此阶段钢纤维混凝土构件处于全截面弹性阶段，A时刻是指F-CMOD曲线线性段荷载最高值对应的时刻。初始微裂缝扩展阶段：从初始微裂缝扩展，直至宏观裂缝出现，B时刻是指F-CMOD曲线第一个荷载峰值点对应的时刻。宏观裂缝扩展阶段：是指从宏观裂缝开始扩展，直至裂缝中钢纤维开始发挥桥接作用；C时刻是指F-CMOD曲线第一个下降段荷载最低点对应的时刻。钢纤维作用阶段：是指宏观裂缝稳定扩展后，裂缝间钢纤维桥接力持续增大，主要是钢纤维持续作用，材料进入“塑性”增强阶段；D时刻是指F-CMOD曲线第二个荷载峰值点对应的时刻。钢纤维失效阶段：是指钢纤维从割缝顶端(即截面下缘)开始，被逐渐拔出失效，构件承载能力逐渐丧失，直至断裂破坏。
上述步骤S4中，根据四个分界时刻对应的荷载，可以从F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变确定相应的裂缝影响范围宽度内的平均应变εA、εB、εC、εD。
上述步骤S5中，首先确定四个分界时刻所对应的弯矩，然后根据应力与弯矩的关系，确定分界时刻对应的应力，进而确定应力与应变对应关系。
四个分界时刻所对应的弯矩，按照以下公式计算得到：
其中，M表示弯矩，F表示荷载，L表示两个支座之间的间距。
在A时刻，根据公式
(其中，hsp为割缝处理后初始时割缝顶端以上的截面高度)，可得到割缝顶端处的应力σA，进而得到该时刻的应力-应变σA-εA和弹性模量E＝σA/εA。
在B、C时刻，截面应力和弯矩MB或C的关系公式为MB或C＝Mec+Met+Mst(σB或C)，其中Mec为受压区应力绕中心轴的弯矩；Met为弹性受拉区应力绕中心轴的弯矩；Mst为塑性受拉区应力绕中心轴的弯矩，且Mst为割缝顶端处应力σB或σC的函数。
其中，εcmax为相应时刻截面上缘的裂缝影响范围宽度内平均压应变最大值，hec为受压区高度，由B或C时刻应变沿截面高度分布图中应变曲线与割缝所在截面交点位置确定；
其中，弹性受拉区高度
其中，塑性受拉区高度hst＝hsp-hec-het，塑性受拉区至中心轴距离lst可按梯形形心公式求得：
根据该公式可得到B、C时刻对应的割缝顶端处的应力σB、σC，进而得到相应时刻的应力-应变σB-εB、σC-εC。
在D时刻，截面应力和弯矩MD的关系公式为MD＝Mst(σD)，据该公式得到割缝顶端处的应力σD，进而得到该时刻的应力-应变σD-εD。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过采用高精度的光纤，对钢纤维混凝土微裂缝及其周边影响范围的应变进行精确测定，从而直观准确的将离散裂缝均匀化到裂缝的整个影响范围，进而确定了钢纤维混凝土全过程应变测量的数据取用范围(即裂缝影响范围)。
2、本发明通过捕捉测定范围散斑在荷载加载过程中的变化，进而得到钢纤维混凝土在受力全过程的应变，该应变场测量方法为非接触测量，可满足对钢纤维混凝土构件大开裂变形条件下的应变持续测量的需要，并能完全捕捉主裂缝发展路径上的应变分布情况，为基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系分析提供了实测数据支持。
3、本发明提出了利用钢纤维混凝土构件试验所表现出的宏观力学性能数据进行应力-应变本构关系分析的方法，该方法规避了微观分析中随机因素众多导致的困难，有利于钢纤维混凝土的工程化应用。
附图说明
图1为本发明钢纤维混凝土测试构件底部表面粘贴的三道布拉格光纤布置示意图。
图2为本发明钢纤维混凝土构件三分点加载试验原理示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，宽b＝150mm，高h＝150mm。
图3为本发明钢纤维混凝土构件开裂前，布拉格光纤测得的某时间点的测试构件底弹性应变大小和影响范围。
图4为本发明钢纤维混凝土构件刚开裂时，布拉格光纤测得的构件底细小的微裂缝组和裂缝组的平均间距。
图5为本发明钢纤维混凝土构开口梁试验原理示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，宽b＝150mm，高h＝150mm。
图6为钢纤维混凝土裂缝下缘位置测试得到的荷载-开口宽度曲线(即F-CMOD曲线)。
图7为本发明钢纤维混凝土构件采集图像生成的应变云图和沿截面高度的应变分布，图中E0-E5为割缝上截面高度共125mm。
图8为A时刻沿截面高度的应力及应变分布，其中，(a)为应力沿截面高度的分布，(b)为应变沿截面高度的分布。
图9为B时刻沿截面高度的应力及应变分布，其中，(a)为应力沿截面高度的分布，(b)为应变沿截面高度的分布。
图10为C时刻沿截面高度的应力及应变分布，其中，(a)为应力沿截面高度的分布，(b)为应变沿截面高度的分布。
图11为D时刻沿截面高度的应力及应变分布，其中，(a)为应力沿截面高度的分布，(b)为应变沿截面高度的分布。
图12为本发明得到的钢纤维混凝土的应力-应变本构关系曲线。
具体实施方式
拟结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
实施例1
本实施例以550mm×150mm×150mm的测试构件作为钢纤维混凝土构件，钢纤维混凝土是采用C50标号的混凝土基材，然后在其中按照掺量45kg/m3，均匀掺入钢丝纤维经常规工艺筑成(参见《钢纤维混凝土结构设计标准》(JGJT465-2019)附录B.2)。
为了满足不同工程应用于的要求，可以采用对应标号等级的混凝土和高强钢丝纤维浇筑成550mm×150mm×150mm的测试构件按照本发明方法进行测试。
本实施例提供的钢纤维混凝土应变场测量方法，包括以下步骤：
S1确定待测钢纤维混凝土构件微裂缝影响范围宽度；
S2测量待测钢纤维混凝土构件开裂前后应变场。
上述步骤S1包括以下分步骤：
S11将光纤传感器往复折返等分为至少三段等间距贴附于待测钢纤维混凝土构件沿长度方向、且与测试过程中受力面相对的面，同时光纤传感器覆盖该面的中间区域；中间区域为自中间位置向两侧延伸相同距离所构成的区域。
本实施例中，以待测钢纤维混凝土构件底部作为受力面相对的面，中间区域为自中间位置向两侧延伸75mm距离，即构件底部150mm中间区域。在该宽度范围等间距粘贴三道布拉格光纤(光纤长度略大于中间区域长度，以保证测量精度)，如图1所示；且相邻两布拉格光纤之间的间距≥30mm(这里取45mm)，以避免加载过程中多道光纤同时崩落。布拉格光纤需采用剥离保护胶皮的裸线，并使用双组份聚氨酯胶粘剂(外购)均匀的粘贴于构件底部表面。
S12将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，将分配梁置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，分配梁底部两个万向加载轴对准两个支座之间的三分点位置(即三等分点位置)。
本实施例中，将电子万能试验机的两支座间距调整为450mm，再将测试构件对称放置于两支座之上。通过分配梁，将两个万向加载轴(该万向加载轴可以在垂直于构件轴线方向滚动和前后自由倾斜)对准支座之间的三分点位置(即加载点)，如图2所示。之后通过对分配梁预加0.5-1kN荷载，对待测试件进行压紧，再将电子万能试验机测量的加载数值清零。
S13启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，直至光纤绷断；加荷载期间，对光纤传感器进行实时采集；
本实施例中，加载期间需观察裂缝展开位置，裂缝应在加载点之间展开方为有效。按照分配梁移动速率控制加载，移动速率为0.1mm/s。在启动电子万能试验机的同时，光纤传感器和高速摄像机的数据采集也要同步启动，且数据采样应连续自动完成。
S14依据光纤传感器测量到的波长数据，获取钢纤维混凝土应变测试结果，进而确定微裂缝影响范围宽度。
首先依据光纤传感器测量到的波长数据，确定未加载荷载时的波长，再依据加载过程中测量的波长，可以得到波长变化量；以波长变化量与未加载荷载时的波长比值作为应变。
本实施例中，在微裂缝展开前，钢纤维混凝土处于弹性受力阶段，布拉格光纤测得的构件底弹性应变测试结果如图3所示。微裂缝展开后，可通过布拉格光纤测得的测试构件底弹性应变测试结果，精确捕捉测量范围内细小的微裂缝组(裂缝位置为应变奇变点)，并测得微裂缝间距为35-63mm，如图4所示。可将测得的裂缝组平均间距49mm作为离散裂缝的影响范围。
上述步骤S2步骤包括以下分步骤：
S21采用与步骤S1完全相同的钢纤维混凝土构件，在测试受力面相对面的中心，做割缝处理；在割缝处安装测量割缝开口变化的引伸计传感器。
本实施例中，在成型试件的底面做割缝处理，割缝深度25mm、长度为150mm，宽度为2mm，然后在试件割缝处贴引伸计固定钢片，用于测量割缝开口变化，如图5所示。
S22将待测钢纤维混凝土构件与受力面相邻的侧表面喷涂背景色涂料，然后在侧表面监测区域喷涂对比色涂料；所述监测区域覆盖步骤S5所确定的微裂缝影响范围。
本实施例中，在测试构件前侧表面均匀喷涂白色涂漆当做背景色，范围需覆盖整个测试构件前侧表面，随后在前侧表面中间区域150mm宽度范围(也即这里以中间区域作为监测区域)随机喷涂黑色涂料形成斑点，作为对比散斑，如图5所示。
S23将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，并将万向加载轴置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，万向加载轴对准构件中心位置(即割缝正上方位置)。
本实施例中，将电子万能试验机的两支座间距调整为450mm，再将测试构件对称放置于两支座之上，将一根万向加载轴对准构件中心位置(即割缝正上方位置)，然后安装测量割缝开口位移的夹式引伸计传感器，如图5所示。
S24启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，采用引伸计所测得的割缝开口变化率控制加载，直至开口宽度变化达到预设上限，结束加载；加荷载期间，实时采集引伸计传感器数据和包含监测区域的图像数据。
在测试构件喷涂散斑的前侧表面前方架设两台高速摄像机，摄像机信号输出端与计算机连接。并将相机镜头对焦构件覆盖中间区域，再通过三维标定板对测试构件进行校正处理，使得计算机屏幕上清晰显示测试构件表面的散斑图。
在启动电子万能试验机的同时，引伸计传感器和高速摄像机的数据采集也要同步启动，且数据采样应连续自动完成，其中高速摄像机的采样频率为1HZ。本实施例中开口宽度变化的预设上限为5mm。
S25依据引伸计传感器数据，获得荷载-开口宽度曲线，即F-CMOD曲线。
基于引伸计传感器测量得到的割缝开口宽度变化值以及电子万能试验机测量的荷载值得到荷载-开口宽度曲线F-CMOD，如图6所示。
S26依据包含监测区域的图像数据，获取散斑变形数据，生成钢纤维混凝土的应变云图，进而得到与F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变和沿截面高度的应变分布。
通过分析构件侧表面散斑点在发生变形前后的数字图像数据，可得到被测物体表面散斑的位移矢量，对比变形前后的各方向散斑位移可获得全场位移信息，进而计算得到构件表面各个位置应变。
本实施例中，主要关注的是割缝所在截面的应变情况。以步骤S1得到的微裂缝影响宽度范围为基准，在没有施加荷载时的应变云图(即散斑点没有发生形变)中割缝左右对称位置标记若干散斑点；然后基于F-CMOD曲线，确定相应荷载时的应变云图，将其与没有施加荷载时的应变云图进行对比计算，得到相应荷载下割缝所在截面割缝顶端以上部分(即截面高度)的应变分布，并将截面高度应变分布的平均值作为F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变；如图7所示。
实施例2
本实施例提供一种基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，其包括以下步骤：
S3依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线，将钢纤维混凝土构件破坏过程分为五个阶段，并确定五个阶段的四个分界时刻；所述五个阶段分别为：全截面弹性阶段、初始微裂缝扩展阶段、宏观裂缝扩展阶段、钢纤维作用阶段和钢纤维失效阶段。
本实施例中，将四个分界时刻定义为A、B、C、D；全截面弹性阶段：是指微裂缝产生前，此阶段钢纤维混凝土构件处于全截面弹性阶段，A时刻是指F-CMOD曲线线性段荷载最高值对应的时刻。初始微裂缝扩展阶段：从初始微裂缝扩展，直至宏观裂缝出现，B时刻是指F-CMOD曲线第一个荷载峰值点对应的时刻。宏观裂缝扩展阶段：是指从宏观裂缝开始扩展，直至裂缝中钢纤维开始发挥桥接作用；C时刻是指F-CMOD曲线第一个下降段荷载最低点对应的时刻。钢纤维作用阶段：是指宏观裂缝稳定扩展后，裂缝间钢纤维桥接力持续增大，主要是钢纤维持续作用，材料进入“塑性”增强阶段；D时刻是指F-CMOD曲线第二个荷载峰值点对应的时刻。钢纤维失效阶段：是指钢纤维从割缝顶端(即截面下缘)开始，被逐渐拔出失效，构件承载能力逐渐丧失，直至断裂破坏。
S4依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变，确定四个分界时刻所对应的裂缝影响范围宽度内的平均应变。
本实施例中，根据四个分界时刻对应的荷载，可以从F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变确定相应的裂缝影响范围宽度内的平均应变εA、εB、εC、εD：
εA＝0.000162、εB＝0.002289、εC＝0.003381、εD＝0.041074。
S5分别获取四个分界时刻对应的应力-应变。
首先确定四个分界时刻所对应的弯矩，然后根据应力与弯矩的关系，确定分界时刻对应的应力，进而确定应力与应变对应关系。
四个分界时刻所对应的弯矩为：
(1)在A时刻，根据公式
(其中b为构件宽度150mm，hsp为割缝顶端以上的截面高度125mm)，可得到割缝顶端处的应力σA，进而得到该时刻的应力-应变σA-εA和弹性模量E＝σA/εA。
本实施例中，在A时刻，截面应力及应变分布如图8所示。
则，割缝顶端处的应力为
弹性模量为E＝σA/εA＝5.20/0.000162＝32098(MPa)。
(2)在B时刻，根据前面得到的沿截面高度应变分布，可建立截面应力和弯矩MB的关系公式MB＝Mec+Met+Mst(σB)，其中Mec为受压区应力绕中心轴的弯矩；Met为弹性受拉区应力绕中心轴的弯矩；Mst为塑性受拉区应力绕中心轴的弯矩，且Mst为割缝顶端处应力σB的函数。根据该公式可得到割缝顶端处的应力σB，进而得到该时刻的应力-应变σB-εB。
本实施例中，在B时刻，截面应力及应变分布如图9所示。
其中，
其中，hst＝hsp-hec-het＝125-30-6.73＝88.27mm；
根据公式，MB＝Mec+Met+Mst(σB)，可求得σB＝1.55(MPa)。
(3)在C时刻，根据前面得到的沿截面高度应变分布，可建立截面应力和弯矩MC的关系公式MC＝Mec+Met+Mst(σC)，据该公式得到割缝顶端处的应力σC，进而得到该时刻的应力-应变σC-εC。
本实施例中，在C时刻，截面应力及应变分布如图10所示。
其中，
其中，hst＝hsp-hec-het＝125-17-5.18＝102.82mm；
根据公式MC＝Mec+Met+Mst(σC)，可求得σC＝1.11(MPa)。
(4)在D时刻，根据前面得到的沿截面高度应变分布，构件开始进入全截面“塑性”受拉阶段，故可建立截面应力和弯矩MD的关系公式为MD＝Mst(σD)，据该公式得到割缝顶端处的应力σD，进而得到该时刻的应力-应变σD-εD。
本实施例中，在D时刻，截面应力及应变分布如图11所示。
其中h′st＝hsp＝125mm；
根据公式MD＝Mst(σD)，可求得σD＝1.47(MPa)。
S6将四个分界时刻的应力-应变在应力空间中相连，即可得到钢纤维混凝土的应力-应变本构关系曲线。
本实施例中，将A、B、C、D四个分界时刻所得的应力-应变在应力空间中相连，得到的应力-应变关系曲线，如图12所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种钢纤维混凝土应变场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1确定待测钢纤维混凝土构件微裂缝影响范围宽度；该步骤包括以下分步骤：
S11将光纤传感器往复折返等分为至少三段等间距贴附于待测钢纤维混凝土构件沿长度方向、且与测试过程中受力面相对的面，同时光纤传感器覆盖该面的中间区域；
S12将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，将分配梁置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，分配梁底部两个万向加载轴对准两个支座之间的三分点位置；
S13启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，直至光纤绷断；加荷载期间，对光纤传感器进行实时采集；
S14依据光纤传感器测量到的波长数据，获取钢纤维混凝土应变测试结果，进而确定微裂缝影响范围宽度；
S2测量待测钢纤维混凝土构件开裂前后应变场；该步骤包括以下分步骤：
S21采用与步骤S1完全相同的钢纤维混凝土构件，在测试受力面相对面的中心，做割缝处理；在割缝处安装测量割缝开口变化的引伸计传感器；
S22将待测钢纤维混凝土构件与受力面相邻的侧表面喷涂背景色涂料，然后在侧表面监测区域喷涂对比色涂料；所述监测区域覆盖步骤S1所确定的微裂缝影响范围；
S23将待测钢纤维混凝土构件对称置于试验机的两支座上，并将万向加载轴置于待测钢纤维混凝土构件受力面上并压紧，万向加载轴对准构件中心位置；
S24启动试验机，对待测钢纤维混凝土构件进行连续、均匀加荷载，采用引伸计所测得的割缝开口变化率控制加载，直至开口宽度变化达到预设上限，结束加载；加荷载期间，实时采集引伸计传感器数据和包含监测区域的图像数据；
S25依据引伸计传感器数据，获得荷载-开口宽度曲线，即F-CMOD曲线；
S26依据包含监测区域的图像数据，获取散斑变形数据，生成钢纤维混凝土的应变云图，进而得到与F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变和沿割缝所在截面的截面高度的应变分布。
2.根据权利要求1所述的钢纤维混凝土应变场测量方法，其特征在于，步骤S13中，按照分配梁移动速率控制加载，移动速率为0.1mm/s。
3.根据权利要求1所述的钢纤维混凝土应变场测量方法，其特征在于，步骤S21中，割缝处理是在待测钢纤维混凝土构件受力面相对面中间位置沿宽度方向进行割缝，割缝宽度为2-3mm，深度为24-26mm。
4.根据权利要求1所述的钢纤维混凝土应变场测量方法，其特征在于，步骤S24中，采用引伸计所测得的割缝开口变化率控制加载，按照0.1mm/min的开口变化率，控制试验机向待测钢纤维混凝土构件施加荷载。
5.根据权利要求1所述的钢纤维混凝土应变场测量方法，其特征在于，步骤S26中，以步骤S1得到的微裂缝影响宽度范围为基准，在没有施加荷载时的应变云图中裂缝左右对称位置标记若干散斑点；然后基于F-CMOD曲线，确定相应荷载时的应变云图，将其与没有施加荷载时的应变云图进行对比计算，得到相应荷载下割缝所在截面的截面高度应变分布，并将截面高度应变分布的平均值作为F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变。
6.一种基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S3依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线，将钢纤维混凝土构件破坏过程分为五个阶段，并确定五个阶段的四个分界时刻；所述五个阶段分别为：全截面弹性阶段、初始微裂缝扩展阶段、宏观裂缝扩展阶段、钢纤维作用阶段和钢纤维失效阶段；
S4依据钢纤维混凝土应变场测量方法得到的F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变，确定四个分界时刻所对应的裂缝影响范围宽度内的平均应变；
S5分别获取四个分界时刻对应的应力-应变；具体为：首先确定四个分界时刻所对应的弯矩，然后根据应力与弯矩的关系，确定分界时刻对应的应力，进而确定应力与应变对应关系；
S6将四个分界时刻的应力-应变在应力空间中相连，即可得到钢纤维混凝土的应力-应变本构关系曲线。
7.根据权利要求6所述的基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，其特征在于，将四个分界时刻定义为A、B、C、D；步骤S4中，根据四个分界时刻对应的荷载，可以从F-CMOD曲线对应的裂缝影响范围宽度内平均应变确定相应的裂缝影响范围宽度内的平均应变εA、εB、εC、εD。
8.根据权利要求7所述的基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，其特征在于，步骤S5中，弯矩按照以下公式计算得到：
其中，M表示弯矩，F表示荷载，L表示两个支座之间的间距。
9.根据权利要求8所述的基于宏观损伤的钢纤维混凝土应力-应变本构关系构建方法，其特征在于，在A时刻，根据公式
其中，hsp为割缝处理后初始时割缝顶端以上的截面高度，得到割缝顶端处的应力σA；依据E＝σA/εA得到弹性模量E；
在B、C时刻，截面应力和弯矩MB或C的关系公式为MB或C＝Mec+Met+Mst(σB或C)，其中Mec为受压区应力绕中心轴的弯矩；Met为弹性受拉区应力绕中心轴的弯矩；Mst为塑性受拉区应力绕中心轴的弯矩，且Mst为割缝顶端处应力σB或σC的函数；
其中，εcmax为相应时刻截面上缘的裂缝影响范围宽度内压应变最大值，hec为受压区高度；
其中，弹性受拉区高度
其中，塑性受拉区高度hst＝hsp-hec-het，塑性受拉区至中心轴距离lst可按梯形形心公式求得：
根据该公式得到B、C时刻对应的割缝顶端处的应力σB、σC；
在D时刻，截面应力和弯矩MD的关系公式为MD＝Mst(σD)，根据该公式得到割缝顶端处的应力σD；
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