水利工程论文-试件初始缝长对混凝土双K断裂参数的影响摘要：本文采用尺寸为400mm×400mm×200mm，初始缝高比分别为0.2、0.4、0.5、0.6的楔入劈拉试件，应用线性渐近叠加原理，利用试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc计算了混凝土裂缝的亚临界扩展量Δαc，在此基础上利用虚拟裂缝模型并结合线弹性断裂理论，采用不同的闭合力方程计算了混凝土起裂断裂韧度KiniIc、失稳断裂韧度KunIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc.结果表明，采用不同闭合力方程所计算的混凝土KiniIc值有所差异，但当试件缝高比大于或等于0.4时KiniIc及CTODc均与试件初始缝高比无关，而KunIc值则与初始缝高比无关，这表明双K断裂参数及CTODc可以作为描述混凝土裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏全过程的材料常数。关键词：混凝土裂缝断裂参数虚拟裂缝模型众多的研究结果表明，试件高度是影响混凝土断裂韧度KIc的主要因素，而造成KIc尺寸效应的主要原因是忽略了混凝土裂缝失稳断裂前亚临界扩展阶段。为此，文献[1，2]采用激光散斑及光弹贴片等测试技术研究了混凝土裂缝失稳断裂前的亚临界扩展过程，结果表明，混凝土裂缝是先由起裂、稳定扩展然后失稳破坏，当试件高度h>1.0m时，其扩展量Δαc达210mm.根据试验中测得的起裂荷载Pini、Δαc及最大荷载Pmax获得了与试件高度无关的起裂断裂韧度KiniIc及失稳断裂韧度KunIc，据此提出了混凝土结构裂缝扩展的双K断裂准则，即当KI=KiniIc时，裂缝起裂；当KiniIc<KI≤KunIc时，裂缝稳定扩展；当KI>KunIc时，裂缝失稳扩展。然而，KiniIc、KunIc是根据大型试件断裂试验中测得的，它要求测得混凝土的Δαc、Pini，这在普通实验室是难以做到的。为此，文献［3］采用虚拟裂缝模型并结合线弹性断裂理论通过迭代计算了混凝土Δαc，并得到了当试件高度h>400mm时，KiniIc、KunIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc值均与试件高度无关的结论。然而在以上的研究中，均未考虑混凝土初始缝高比α0/h的影响。因此本文采用尺寸400mm×400mm×２00mm，α0/h比分别为0.2、0.4、0.5、0.6的楔入劈拉试件研究α0/h对双K断裂参数KiniIc、KunIc及CTODc的影响。1混凝土有效裂缝长度的确定由于混凝土在失稳断裂前存在着裂缝的稳定扩展阶段，使得失稳断裂前试件实际裂缝长度α大于预制缝长α0。若将失稳断裂前裂缝稳定扩展长度记为Δαc，则αc=α0＋Δac(1)但在实验中要精确测量Δαc值较困难，需要先进的测试技术。因此本文根据文献[4]的线性渐近叠加原理，采用线弹性断裂力学公式计算αc的值。对于如图1所示的楔入劈拉试件，当外荷载P达最大值Pmax时，其对应的有效裂缝长度αc可由下式确定：CMODc＝Pmax/tE[11.56(1-αc/h)-2－9.397)](2)图1楔入劈拉试件式中：t、h、E分别为试件厚度、高度及弹性模量。2混凝土双K断裂参数的确定2.1闭合力产生的应力强度因子KcI的计算由于混凝土裂缝失稳扩展前存在着主裂缝的稳定扩展阶段，根据虚拟裂缝模型，当裂缝张开位移ω小于ω0时，尚能传递应力，这个应力称为闭合力。因此，试件除了受到外荷载P作用外还存在着阻止裂缝扩展的闭合力的作用(如图2所示).根据叠加原理，可将图2(a)分解为图2(b)及图2(c).对于图2(a)，其裂缝尖端处的应力强度因子为：KI＝KIp－KcI(3)其中，KIp为由集中力P所产生的应力强度因子，可直接由线弹性断裂力学公式计算：(4)图2试件受力特性而闭合力σ(x)产生的应力强度因子(负值)可由文献［5］所给的公式计算：(5)式中(6)如图3所示，当裂缝处于临界状态时，P=Pmax，其裂缝尖端张开位移CTOD也达其临界值CTODc，则其相应的闭合力σ(x)在虚拟裂缝上的分布为：(7)[ft-σs(CTODc)](α0≤x≤αc)图3闭合力的分布(7)式中:σs(CTODc)为当裂缝尖端张开位移达临界值CTODc时的应力，它可由图4的混凝土应力软化曲线得出[6]：(8)式中：c1、c2为材料常数。当用CTODc代替式中的ω时即可得到σs值。对于普通混凝土，c1=3，c2=7，ω0=160μm.为简化计算，也可采用双线性模型，其表达式为：{σ=ft-(ft-σs)ω/ωs(0≤ω≤ωs)σ=σs（ω0-ω/ω0－ωs）(ωs<ω≤ω0)(9)σ=0(ω>ω0)其中，ωs＝0.8Gf/ft,σs＝ft/3，ω...