配筋对混凝土双K断裂参数的影响研究.pdf
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1、第 4 3卷 第 1 3期 2 0 I 2 年 7 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo l _ 4 3 No 1 3 J ul y, 2 01 2 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 2 ) 1 3 0 0 6 1 0 5 配筋对混凝土双 K断裂参数的影响研究 胡 少 伟 , 米 正 祥 , 陆 俊 ( 南京水利科学研 究院 材 料结构研 究所, 江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘 要 : 为 了确定在混凝土 中配筋对试件 断裂参数 的影响 , 采用尺寸 为 1 0 0 0 mm 2 0 0 m m2 0 0 m m的 3组不
2、同缝高比的钢 筋混凝 土试件进行试验 。通过在初始裂缝两侧粘贴应 变片确定 了起裂荷栽 , 计算 出了钢筋混凝 土试件 的起 裂断裂韧度 、 失稳断裂韧 度、 临界有效裂缝长度 , 并与相 同缝 高比的素混凝土试件进行 了对 比。结 果表明, 在混凝土 中配筋 , 其起 裂断裂韧度与 失稳 断裂韧度 分别可 以提 高 8 6 与 1 5 ; 缝 高 比越 大 , 钢 筋混 凝土试件的起 裂韧度 与失稳韧度值越 小; 钢 筋混凝 土试件 的起 裂韧度 与失稳韧 度的 比值 要 比素混凝土试 件 的小 , 表 明在混凝土试件 中加入钢筋后可以提 高结构的延性 ; 钢 筋混凝 土试件 的初始缝 长与
3、-临界有 效缝 长的 比 值 介 于 O 6 50 8 8 。 关键词 : 钢筋混凝土 ;双 K断裂参数 ; 缝 高比;钢筋影响 中图法分类号 : T V 3 3 文献标 志码 : A 1 研究背景 钢筋 混凝 土构件 在 土 木 工 程 、 水 利工 程 以及 采矿 工程等领域内的应用都非常广泛。但是钢筋混凝土构 件在制作 、 养护等过程中, 由于质量的不均匀性和受到 环境 中非荷载因素的影响 , 表面或者内部往往都会有 微裂缝存在 , 而且这些裂纹在构件工作过程 中可能还 会 继续 扩展 , 甚 至会 因为 裂纹 的扩 展 而 导致 整 个 构件 的破坏 。 自从 1 9 6 1年 M F
4、 K a p l a n首 次 将 断 裂 力 学 概念 应 用于 混凝 土 , 并进 行 了断裂 韧度 的试验 之后 , 很 多 学 者对混凝土断裂性能进行 了大量的试验研究工作 , 并 取 得 了很大 的进展 , 而 且 不 少研 究 成 果 已经 应 用 到 了 工程实践中。但是对含裂纹的钢筋混凝土构件的断裂 性 能研究 还 比较少 , 而且 不够 深入 , 因此 非常有 必要对 此 作进 一步 的研究 。 对于钢筋混凝土构件 , 钢筋 的存在会对混凝土的 断裂韧度产生一定的影响 , 文献 4 对尺寸为 1 0 0 0 mm2 0 0 mm 2 0 0 Mi l l与 2 7 0 0 m
5、m x 6 0 0 mm x 3 0 0 m i l l 的混凝土构件和钢筋混凝土构件进行 了三点弯 曲 试验 , 并利用有限单元法求得了各 自的断裂韧度 , 最后 得到钢筋混凝土构件的断裂韧度与同尺寸混凝土试件 的断裂韧度值基本相同的结 论。而文献 5 对尺寸为 1 8 0 0 m m 4 0 0 mm 2 0 0 mi l l 的混凝土构件和钢筋混 凝土构件进行了三点弯 曲试验 , 最后得到钢筋混凝土 构件的断裂韧度值由于钢筋的存在 , 而高于同尺寸混 凝土构件的断裂韧度值 的结论 , 而且 断裂韧度值 的提 高程 度随 配筋率 的增 加基 本 上 呈 线性 关 系 。显 然 , 两 文献
6、所得到的结论有比较大的出入 , 因而要真正弄清 不同因素对钢筋混凝土构件断裂韧度 的影响, 还需要 做大量的工作。因此, 本文在此基础上, 以缝高 比为参 数 , 采用三点弯曲试验方法 , 研究 3种缝高比下钢筋混 凝 土试件 的断裂 参数 。 2 双 K断裂理论 混凝土作为一种准脆性材料, 其断裂存在断裂过 收稿 日期 : 2 0 1 1 1 2 3 0 基金项目 : 国家科技支撑计划课题 “ 震损水库及堰塞湖风险评估与处置关键技 术研 究” ( 2 0 0 9 B A K 5 6 B 0 4 ) ; 国家 自然科 学基金项 目“ 基 于 F E MO L的大 口径 P C C P管结构计算
7、与安全评价” ( 5 0 8 7 9 0 4 8 ) ; 水利部前 期项 目“ 地 震对 大坝 灾变机理 与对 策研 究” ( $ 4 0 9 0 0 1 ) 作者简介 : 胡 少伟 , 男, 教授级 高级工程师 , 博士 , 主要从 事水工结构工程与材料研 究工作 。E ma i l : h u s h a o w e i n h r i e l l 6 2 人 民 长 江 程区, 有一定量的亚临界扩展 , 并非像完全脆性材料一 样一旦起裂就失稳破坏。文献 6 7 采用激光散斑 、 光弹贴片法等现代测试技术 , 对三点弯 曲梁 以及大型 紧凑拉 伸试 件进 行断 裂 试验 , 观 测 到混
8、凝 土 材料 的裂 缝扩展过程可分为 3个阶段 : 初始起裂 、 稳定扩展及失 稳破坏 ; 其在荷载位移 曲线上表现出明显的非线性特 征, 这就意味着线弹性断裂力学不能直接应用到混凝 土裂缝体的研究中。徐世娘吸取以往众多混凝土断裂 模 型 的优点 , 将线 弹性 断裂 力学 、 虚拟裂 缝模 型 以及混 凝土应 变软 化 曲线 相结 合 , 建 立 了 双 K 断 裂 模 型 , 并 得到了起裂韧度 K 和失稳韧度 K 的计算公式。 该模 型可表 示 为 : K K 时裂缝 稳定 ; K = 时 裂缝 开始 起 裂 ; K 时裂缝处于失稳扩展 阶段 一 。 在 实际应 用 中 , K 。 K
9、可作 为 裂 缝 扩展 稳 定 性 的判断准则 ; 对于重要结构应采用 K K K 作为 裂 缝扩 展稳定 性 的判断 准则 。 2 1 失稳 断裂韧度计算 根据文献 1 0 , 三点弯 曲梁 的失稳断裂韧度 按 下式计 算 : = 其 中 , = 酱昔等 , : ( 2 ) I T 。 ) a r c t a n ( -0 5 ( 3 ) t c 3 7 o + 32 6 o t ( 2 蹴h h ) ( 4 ) + n 一 式中, 为失稳断裂韧度 ; m为试件支座间的质量 ; s 为试件两支座间的跨度 ; 其余符号意义见文献 1 0 。 2 2 起裂断裂韧度计算 三点弯曲梁的起裂断裂韧度
10、按( 5 ) 式计算 1 5 ( F 口+下m g1 0 一 。 )1 0 一 S 口 。1 = t h _ ) - ( 5) 其 中 = 暑 , = ( 6) 式 中 , 为起 裂断 裂韧 度 ; F 。 为起裂 荷 载 , 即试 件 F 曲线 的上升段 中从直线段转变为曲线段的转折点所 对 应 的荷载 。 3 试验概 况 3 1 原 材料基本情 况 试 件混 凝土 的配 合 比为胶 凝 材 料 : 砂 : 石 : 外 加 剂 = 1 : 1 0 8 : 1 8 7 : 0 0 1 8 , 水 胶 比为 0 2 9 。其 中胶 凝 材 料 为水 泥与 粉煤 灰 , 它 们 的 比值 为 0
11、8 5 : 0 1 5 ; 水 泥 采 用 P5 2 5硅 酸 盐 水 泥 , 粉 煤 灰 为 I级 灰 ; 砂 率 为 3 7 , 砂 为普 通建筑 中砂 , 碎 石 颗 粒级 配 为 5 02 5 0 mm, 最 大骨 料粒 径为 2 5 mm; 外 加剂 为 J M 一 8 , 拌 和 水 采用当地饮用水。钢筋采用 级 圆钢 , 具体力学性能 见表 1 。 表 1钢 筋 力 学 性 能 3 2 试件 制作 本 文采 用带 预制缝 的三 点弯 曲梁进 行 钢筋 混凝 土 双 K断裂参数 的研 究。鉴 于预制裂缝与 钢筋间有 3 种 不 同的位 置关 系 , 即裂 缝 未 贯 穿 、 临 界
12、 情 况 、 裂 缝 贯 穿 , 本试 验设 置 3种 不 同初 始 裂缝 长度 来 研 究 缝 高 比 以及钢筋 裂 缝 位 置关 系对 ? 昆凝 土 试 件 双 K 断 裂 参 数 的影响。同时, 本试验还制作了无钢筋的对照试件 , 以 便 研究 配筋 对断 裂韧 度 的影 响 。具 体 参 数 如下 : 试 件 尺 寸为 l 0 0 0 m m 2 0 0 m m 2 0 0 m m, 预 制裂 缝 长 度 分 别为 2 0 , 2 5 , 6 0 m m。 试 件 的预 制 缝 采 用 钢 板 预 埋 生 成 , 钢 板 厚 度 3 mm, 将 钢 板 与 预制 缝 尖 端接 触 部分
13、 磨 成 尖 角 , 以利 于 裂 缝在试 件受 荷载 时沿 着预制 缝 的方 向发展 。为 了能 使 钢板在 混凝 土 浇筑 振 捣 时 固定 牢 固 , 采用 角钢 和 G 型夹固定 , 这样也便于混凝土初凝 3 h后顺利抽出。 试件 用 湿麻袋 覆盖 , 定期 浇水 , 保持 试件 处 于足 够 潮湿的环境中, 养护温度为其所在试验室室 内自然温 度。同时留置测量立方体抗压强度 、 轴心抗拉强度 、 弹 性模量等基本力学参数的小试块 , 置于标准养护室内 进行规范规定环境的养护, 试件养护龄期为 2 8 d 。 3 3 试验装置 试验 在 5 0 0 0 k N 的压 力试 验 机 上进
14、 行 , 荷 载值 及 第 1 3期 胡少伟 , 等: 配筋对混凝土双 K断裂参数 的影响研 究 6 3 各 测点 的应 变 用 D H 一3 8 1 7型 动 态 应 变 测 试 系 统 采 集 。裂缝 张 开 口位 移 由美 国 E p s i l o n公 司生 产 的夹 式 引伸计测量 , 其标距为 1 2 m m, 变形测量范围为 +4一 一 1 0 l l l m, 阻值 为 3 5 0 Q, 并 且采 用 全 桥应 变 仪 设 计 , 其最 高精度 可达 0 0 0 0 2 m m。 3 4应变片法测试起 裂荷载 对于 双 K断裂理论 , 如何 确 定起 裂 点 进而 确 定起
15、裂荷载 F 是计算混凝土起裂韧度 K 的关键 。 我 国水 工 混凝 土断裂 试验 规程 ( D L T 5 3 3 22 0 0 5 )中建议 起 裂点由试件的F 曲线上升段 的非线性起点来确定。 然 而 , 在实 际测量 中, 从 F 曲线上 升段 上人 为判 读 的起裂点会因人而异 , 而且该值还与 曲线坐标轴 的放 大倍率有关 , 因而不同的人算得的起裂断裂韧度也会 有 较 大差异 。 而文献 2, 9 认为 裂缝 尖 端两 侧 的 混凝 土 在 裂缝 开裂 之前 随着 荷载 的增 加 , 裂 缝 尖 端两 侧 的应 变 也 随 着增 加 , 属 于拉 应变 。当应 变增 加到 峰值
16、时 , 裂缝 尖端 处混 凝土 产生 应力集 中而 开裂 , 同 时 , 裂缝 两侧 昆 凝 土 变形得到释放 , 在曲线上表现为拉应变不再增加 , 而荷 载继 续增 加 。由于缝 端 混 凝 土 的开 裂 , 其 附 近 的拉 应 力卸载 , 拉应变变小 , 甚至 出现压应变 , 则应变峰值所 对应 的荷 载即 为起 裂荷 载 。因此 , 通 过 在 裂 缝 尖端 两 侧粘 贴应 变片 , 可 以将 裂缝 两侧 的较 大应变 记 录下来 , 再用全桥电路把应变放大 1 倍 , 就能够相对 比较清楚 地反 映裂缝 两侧 的应变 变化 情况 。本 试验采 用 了这种 方法 , 应变片采用栅长分别
17、为 6 0 , 4 0 , 2 0 1T i m 的电阻式 应变片, 其阻值为 3 5 0 Q, 精度为 0 0 2级 , 应变片的详 细布 置情况 如 图 1所示 。 图 1应 变 片 测 点 布 置 ( 单位 : mm) 4 试验结果及分析 4 1 试验结果 试验时, 由预先设 计好 的混凝土立方体试块测得 其抗压强度为 6 6 7 MP a , 轴心抗拉强度为 4 0 5 MP a , 弹性 模量 为 3 9 1 G P a 。 由成对采集的荷载 ( F) 、 裂缝 口张 口位移 ( V )数 值绘制 F 曲线 , 最大荷载 F 与临界裂缝张 口位移 从 曲线 中直接 读取 。 各试 件
18、 的弹性 模量 E, 从 F 全曲线上升段 中的线性段取值计算。 初始柔度 c , 采用 如下 方 法确定 , 对 曲线 的 上 升段 认 为 是 直线 的 区间进 行线性回归 , 通过 回归直线与原始曲线的比较 , 选出合 适的回归直线表达式 , 则该直线斜率的倒数就是所需 要的c 值 。 起裂荷载 F 。 采用前面介绍的应变片法确 定, 具体确定过程不在此处赘述。 将各参数分别代入( 1 ) , ( 5 ) 式便可 以计算 出 昆 凝 土起 裂韧 度与失 稳 韧度 , 具 体结果 见表 2 。 表 2 三点弯 曲梁双 K断裂参数计算结果 试件 编 号V c ttc ? q , 。 。 n
19、, 。 , x , x 4 2 试 验曲线分析 图 2中曲线显 示 , 在 荷 载 由 0增 大 到 起裂 荷 载 这 一 阶段 , 钢 筋混 凝 土试 件 的荷 载 一张 口位移 ( F C M O D) 曲线与混凝土试件的大体类似 , 在达到起裂荷 载之前接近于倾斜直线 , 荷载增加很快 , 超过起裂荷载 后 呈 曲线 状 , 反映 了微裂 纹 的扩展 引起 的非线 性特性 。 而在钢筋 屈 服的位 置处 , 曲线 斜率急 剧减 小 , 裂 缝 口张 开 位移迅 速增 大 , 荷 载 F增 9 口 缓 慢 , 并 且 一直 延 续 下 去 , 在很 长时 间 内不 出现 卸载情 况 。 裂
20、缝口张开位移 图 2钢筋混凝土试 件的 FC MO D曲线 人 民 长 江 试件所能承受的荷载和裂缝与钢筋之间的距离有 关, 裂缝尖端离钢筋越远, 起裂荷载与失稳荷载越小。 同时还 可 以看 出 , 在 达到 开裂荷 载之前 , 两条 曲线 接近 重合, 钢筋屈服后, 钢筋未贯穿裂缝试件的斜率较钢筋 贯穿裂缝试件的斜率大。 4 3 计算结果分析 由图 3和表 2可 知 , 在 预制缝 缝长 相 同的条件 下 , 钢筋混凝土的起裂韧度与失稳 韧度均 比混凝土 的大。 对 于缝 长为 2 0 mi l l 的试 件 , 钢 筋 混凝 土 的起 裂 韧度 与 失稳韧度 比混凝 土的分 别提高 了 7
21、 8 4 , 1 4 3 2 。 对于缝长为 2 5 m il l 的试件 , 钢筋混凝土的起裂韧度与 失 稳韧度 比混凝 土 的分 别提 高 了 8 0 1 , 1 5 1 4 , 而 缝 长 为 6 0 m m 的试 件 , 该值 分 别 提 高 了 9 7 7 , 1 5 8 2 。说明在混凝土 中配筋能够提高其起裂韧度 值 与失稳 韧度值 , 起 裂 韧度 与 失 稳韧 度 分 别 大致 能 够 提 高 8 6 与 1 5 。 6 0 m m 图 3 不 同缝长 下试件的起裂韧度与失稳韧度 由表 2可 知 , 预 制缝 缝 长 为 2 0 , 2 5 m m 与 6 0 m m 的混
22、凝土试件 , 起裂韧 度与失稳韧度 的 比值分别 为 0 6 0 6 6 0 5 6 5 4 6 , 0 5 2 9 8 , 而初 始 缝 长 为 2 0 , 2 5 fi l m 与 6 0 m m 的 钢 筋 混 凝 土 试 件 , 该 值 分 别 为 0 5 7 1 3 , 0 5 3 0 1 , 0 5 0 2 1 。钢 筋 混 凝 士试 件 的 起 裂 韧 度 与 失 稳韧度的比值 明显要 比相 同缝长 的混凝土试件 的值 小, 这反映了在混凝 土试件中加入钢筋后可 以抑制裂 缝 的扩展 , 提高结 构 的延性 。 同时还可 以看 出 , 缝 长 为 2 0 i n ln的试件该值最
23、大, 2 5 h i m的试件较小 , 6 0 lT l m的 试 件最 小 , 说 明在 实际 工程 中 , 对有 裂缝 的混 凝土 结构 打锚 杆 时 , 应该 将锚 杆 置于裂缝 尖 端前部 。 混凝 土试 件 的起 裂 荷载 F 。与 失稳 荷 载 F 比较 接 近 , 起 裂荷 载与最 大 荷 载 的 比值 介 于 8 0 9 5 ; 而 钢筋 混凝 土 试件 的起裂 荷 载值 F 仅 仅 为破 坏荷 载 值 , 的 5 0 6 0 。在混凝土裂缝的亚临界扩展 阶段 , 由于钢 筋的存 在 , 增加 了试件 的延 性 , 使 亚 临界 扩展 阶段 变长 , 此 时试 件 还 没有 破
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