CN109507041A - 一种混凝土ⅰ-ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混凝土Ⅰ‑Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，属于物理测试方法技术领域。该方法采用直偏三点弯曲梁进行测试，在裂缝尖端采用中心对称的方式单端固定夹式引伸计垫块，完成Ⅰ‑Ⅱ复合型断裂破坏过程中Ⅰ型破坏的裂缝张口位移的确定；计算过程中借助双K断裂理论，引入断裂角函数f(θ)，得到不同断裂角条件下的复合型裂缝断裂韧度，并可建立更为准确的混凝土I‑II复合型断裂相关性方程。该方法实现对结构断裂性能的安全评估，突破现有的有限元数值模拟技术，完成对常见复合型裂缝力学性能的准确判断，可为混凝土裂缝的长期稳定性及断裂韧度提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土性能测试方法，具体的说是一种混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，属于物理测试方法技术领域。
背景技术
工程实践表明，由于混凝土在成型过程中的水泥水化反应以及混凝土材料抗拉强度较低的特性的存在，混凝土内部不可避免地产生许多微裂缝或宏观裂缝，在荷载或者其它外界因素的作用下，裂缝继续扩展甚至是贯穿，极易对混凝土结构的服役寿命、整体安全性和耐久性造成重要的影响，因此，对混凝土断裂行为的研究已成为评价混凝土结构工程安全性的重要基础技术指标之一。
混凝土断裂方面的研究已经开展了几十年，众多学者以及研究人员进行了大量试验研究，对混凝土及其工程结构的研究和认知也从线弹性力学发展到非线性、弹塑性、损伤断裂力学等方面，形成了混凝土非线性断裂力学理论。我国已于2005年编制了《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332-2005)，规程中采用的是双K断裂参数模型，并将三点弯曲梁法以及楔入劈拉法列为混凝土断裂试验的主要测试方法，研究的裂缝类型主要是I型裂缝。
基于结构裂缝的破坏形式，根据结构和试件中的裂缝所受外力的不同以及可能存在的裂缝扩展形式，一般可以将裂缝的基本破坏形式归纳为三类：
(1)Ⅰ型断裂(张开型)——外荷载为垂直裂缝平面的正应力,裂缝面相对位移垂直于裂缝平面；
(2)Ⅱ型断裂(滑移型)——外荷载为面内垂直裂缝前缘的剪力,裂缝在其自身平面内做垂直于裂缝前缘的滑动；
(3)III型断裂(撕裂型)——外荷载为离面剪力,裂缝面在其本身平面内作平行于裂缝前缘的错动。
目前，常见的Ⅰ型裂缝的断裂参数以及扩展过程已得到广泛研究，通常采用三点弯曲梁法或者楔入劈拉法进行试验，并通过断裂韧度以及断裂能来评估试件的力学性能。Ⅱ型裂缝的研究相继展开，主要通过四点弯曲梁法或者半边对称加载法完成断裂过程的分析。Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的断裂破坏试验通过直偏裂缝三点剪切梁法以及四点剪切梁法进行研究。
但是，申请人发现，现有的行业规程DL/T5332-2005《水工混凝土断裂试验规程》以及相关的研究中并没有Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的确切的研究方法，且测试的方法不够全面，具体如下：
(1)由于结构或荷载的不对称及材料各向异性等原因,实际结构中的裂缝通常是处于复合应力场下,这就使得裂缝尖端附近的应力场不是单纯的Ⅰ型、Ⅱ型、III型，而是Ⅰ、Ⅱ型甚至Ⅰ、Ⅱ、III型同时存在，这种裂缝称为复合型裂缝。在实际工程中,又以Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝最为常见。例如常见的结构主梁呈现剪力破坏、或者由于地基不均匀沉降造成的墙体、柱等位置的裂缝破坏形式，均主要为Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝。而且《水工混凝土断裂试验规程》中规定的测试方式主要是Ⅰ型裂缝的判断测试方法，并不能作为复合裂缝的断裂破坏依据。
(2)目前已开展的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的研究主要采用的是四点剪切梁，但是受限制于测试方法以及研究方式，计算断裂韧度采用的方法基本上都是有限元数值模拟的方式，现有的混凝土非线性断裂理论中，并没有相关Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的断裂参数评估方法，是目前尚待研究的领域。
(3)混凝土的断裂破坏过程实际上是较为复杂的过程。现有的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂准则的计算方式基本来源于线弹性断裂理论，根据现有的研究表明，混凝土材料属于准脆性材料，即在起裂破坏之前，呈现出线弹性特征，开始破坏时，呈现出塑性材料的破坏特征；而且混凝土材料是一种多相复合材料，其断裂破坏形式，受材料性能、骨料以及尺寸效应等参数的影响，因此，迫切需要建立完整的测试方法，建立分析模型，开展研究。目前Ⅰ型断裂韧度已建立了完整的断裂参数计算方法，得到了较为认可的经验公式，并形成了系统的断裂理论。
(4)现阶段采用的四点剪切法测试的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝方法，在测试过程中，当荷载达到极值后，破坏过程比较急促，即当试件达到最大承载力后立即发生失稳破坏，无法得到较为完整的荷载-张口位移破坏曲线，测试得到荷载-挠度曲线下降段也呈现出突然降低，以此为依据的断裂能计算也不准确，急需开发设计出一种适用于混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的测试方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种混凝土材料Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，借助双K断裂理论，并引入断裂角函数f(θ)，实现对结构断裂性能的安全评估，具有较高的工程应用价值。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，包括以下步骤：
(1)在测试的压力机上设置直偏裂缝三点剪切梁，所设置的裂缝是预制裂缝，位置距离梁长度方向的中线位置按试验要求变化设计；压力机与三点剪切试验梁之间设有两个支撑座，每个支撑座到其相邻三点剪切试验梁的一端的距离是10cm；所述的三点剪切试验梁上端中点处设有一个施力座，所述上部施力座上部设有荷载量测装置；所述三点剪切试验梁上设有应变测量装置；
(2)所述的预制裂缝下端设置第一夹式引伸计，测量裂缝处的滑口位移CMD；所述的预制裂缝上端两侧分别设置特制的钢垫块，布置第二夹式引伸计，测量裂缝竖向张口位移CVOD；
(3)压力机通过施力座向所述直偏裂缝三点剪切试验梁施加测试载荷P，通过荷载量测装置测出施加的最大测试荷载Pmax，通过应变测量装置测出起裂荷载Pini；
(4)所述的第一夹式引伸计与第二夹式引伸计分别测试到断裂整个过程中的裂缝滑口位移CMD以及裂缝竖向张口位移CVOD，断裂扩展轨迹为非线性，得到断裂过程中Ⅰ型破坏的张开位移CMOD：
(5)根据所述试验的测试结果，可以完成Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝中Ⅰ型、Ⅱ型破坏的断裂参数的确定，其中，Ⅰ型破坏断裂参数的确定由截面处的正应力分布决定，具体如下：
①Ⅰ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，
式中，为失稳断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
Pun为失稳荷载，单位为kN，取值为荷载传感装置测得的最大荷载Pmax；
m为试件支座间的质量，单位为kg，用试件总质量按S/L比折算；
g为重力加速度，取9.81m/s2；
S为试件两支座间的跨度，单位为m；
ac为有效裂缝长度，单位为m；
t为试件厚度，单位为m；
h为试件高度，单位为m；
θ为断裂角，为裂缝扩展轨迹与竖直轴线形成的角度，单位为弧度；
式中，ac应按下式计算
式中，h0为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，单位为m；
CMODc为裂缝临界张开位移，单位为m；
E为计算弹性模量，单位为Pa；
其中E按下式计算
式中，a0为初始裂缝长度，单位为m；
ci为试件初始CMOD/P值，单位为μm/kN，由试件P-CMOD曲线的上升段之直线段上任一点的F、CMOD计算，ci＝CMODi/Fi；
②Ⅰ型断裂起裂韧度按下式计算：
式中，
式中，为起裂断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
Pini为起裂荷载，单位为kN，由荷载-应变(P-ε)曲线的拐点确定；
a0为初始裂缝长度，单位为m；
(6)裂缝破坏过程中，Ⅱ型断裂参数的确定由截面处的剪应力分布决定，具体如下：
①Ⅱ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，为Ⅱ型失稳断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
②Ⅱ型断裂起裂韧度按下式计算：
式中，为Ⅱ型断裂起裂韧度，单位为MPa·m1/2；
(7)根据所述的计算断裂韧度，建立更为准确的混凝土I-II复合型断裂相关性方程：
式中，a、b、c、d为拟合参数，无量纲量；KIC为纯I型断裂韧度，KIC为纯I型断裂韧度，可由本试验测试装置测得，此时预制裂缝在梁的正中间位置，C＝0。
本发明的进一步限定技术方案，前述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，所述的预制裂缝是按照《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁的预制裂缝的方式，所布置的位置根据试验要求设计，用于完成不同KⅠ/KⅡ比例下的复合型裂缝断裂韧度的比较。
前述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，所述第二夹式引伸计是采用菱形棱柱体垫块固定，第二夹式引伸计采用裂缝尖端中心对称的方式单端固定在混凝土表面；所述位移测试装置是指固定在预制裂缝处位移计。
前述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，所述荷载量测装置为荷载传感器，所述应变测量装置是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片。
进一步的，前述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，所述三点剪切试验梁是指偏裂缝布置的《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁。
上述技术方案的改进是：所述的预制裂缝是按照《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁的预制裂缝的方式，所布置的位置不限。
通过布置的测试方式，完成Ⅰ-Ⅱ复合型断裂破坏过程中Ⅰ型破坏的裂缝张口位移的确定。
上述技术方案的改进是：通过测试得到的结果，完成不同断裂角条件下的复合型裂缝断裂韧度的确定。
上述技术方案的改进是：通过测试得到较为完整的荷载-挠度(P-δ)曲线，完成复合型裂缝断裂能的确定。
上述技术方案的改进是：通过计算得到的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度，建立更为准确的混凝土I-II复合型断裂相关性方程。
由此可见，混凝土材料是一种多相复合型材料，其断裂破坏过程并不能完全按照线弹性断裂破坏的计算方式来判断，需要在试验测试的基础上进行理论分析，模型建立，从而实现断裂破坏过程的综合诊断，以便更好的分析裂缝造成不良的工程效应。本发明计算过程中借助双K断裂理论，引入断裂角函数f(θ)，实现对结构断裂性能的安全评估，具有较高的工程应用价值。
本发明的有益效果是：本发明发通过对混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝建立的断裂测试方法，突破现有的有限元数值模拟技术，实现对常见复合裂缝力学性能的准确判断，可为混凝土裂缝的长期稳定性及断裂韧度提供依据；可用于判断混凝土结构的使用价值以及其的初始损伤程度与断裂性能的研究，对进一步预测混凝土结构的寿命具有指导意义。由于该测试方法仍是按照直偏三点剪切梁法进行，操作简单易行，能够得到完整的断裂过程，不易出现突然断裂的过程，不仅可以得到不同KⅠ/KⅡ比例下的复合型裂缝断裂韧度，还可以通过较为完整的荷载-挠度(P-δ)曲线计算得到复合型裂缝的断裂能；可进一步促进混凝土复合型裂缝的断裂性能测试，补充DL/T5332-2005《水工混凝土断裂试验规程》以及《应力强度因子手册》的研究方法。
附图说明
图1是本发明混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法的装置结构示意正面图。
图2是图1混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法的装置结构示意背面图。
图3是图1混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法的尺寸布置图。
图4是本发明垫块结构示意图。
图5是图1混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法起裂荷载Pini确定方法。
图6是图1混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法断裂角θ确定方法。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种混凝土材料Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，测试装置如图1和图2所示，具体测试方法包括以下步骤：
(1)在测试的压力机底座1上设置直偏裂缝三点剪切梁2，所设置的裂缝是预制裂缝3，在浇筑前通过端部为“V”字型的钢板模具在混凝土试件中形成竖向直裂缝，位置距离梁长度方向的中线位置按试验要求变化设计；
压力机底座1与三点剪切试验梁2之间设有两个支撑座4，每个支撑座4到其相邻三点剪切试验梁2的一端的距离是10cm；施力座5在三点剪切试验梁2上端中点处，荷载量测装置6在施力座5上方；在三点剪切试验梁预制裂缝3的两侧设有应变测量装置7；在三点剪切试验梁2预制裂缝3下方设有第一夹式引伸计8；在三点剪切试验梁2背面裂缝尖端处，设置特殊的垫块9，以中心对称的方式单端，用粘接剂10固定在混凝土表面，第二夹式引伸计11固定在垫块9上；在直偏裂缝三点剪切梁2两端设有钢筋12，架设角钢13，在预制裂缝3处布置位移测试装置14；
(2)测试过程：压力机通过施力座5向所述直偏裂缝三点剪切试验梁施加测试载荷P，通过荷载量测装置测6出施加的最大测试荷载Pmax，通过应变测量装置7确定起裂荷载Pini；
(3)测试结果统计：通过布置的第一夹式引伸计8测量裂缝处的滑口位移CMD；通过布置的第二夹式引伸计11，测量裂缝竖向张口位移CVOD；
(4)确定参数CMOD：断裂扩展轨迹为非线性，得到断裂过程中Ⅰ型破坏的张开位移MOD：
(5)确定断裂韧度参数：Ⅰ型破坏断裂参数的确定由截面处的正应力分布决定，具体如下：
Ⅰ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，
式中，为失稳断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
Pun为失稳荷载，单位为kN，取值为荷载传感装置测得的最大荷载Pmax；
m为试件支座间的质量，单位为kg，用试件总质量按S/L比折算；
g为重力加速度，取9.81m/s2；
S为试件两支座间的跨度，单位为m；
ac为有效裂缝长度，单位为m；
t为试件厚度，单位为m；
h为试件高度，单位为m；
θ为断裂角，为裂缝扩展轨迹与竖直轴线形成的角度，单位为弧度；
式中，ac应按下式计算
式中，h0为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，单位为m；
CMODc为裂缝临界张开位移，单位为m；
E为计算弹性模量，单位为Pa；
式中，E按下式计算
式中，a0为初始裂缝长度，单位为m；
ci为试件初始CMOD/P值，μm/kN，由试件P-CMOD曲线的上升段之直线段上任一点的F、CMOD计算，ci＝CMODi/Fi。
②Ⅰ型断裂起裂韧度按下式计算
式中，
式中，为起裂断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
Pini为起裂荷载，单位为kN，由荷载-应变(P-ε)曲线的拐点确定；
a0为初始裂缝长度，单位为m；
(6)确定Ⅱ型断裂参数：由截面处的剪应力分布决定，具体如下：
①Ⅱ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，为Ⅱ型失稳断裂韧度，单位为MPa·m1/2；
②Ⅱ型断裂起裂韧度按下式计算
式中，为Ⅱ型断裂起裂韧度，单位为MPa·m1/2；
(7)确定断裂相关性方程：根据不同KⅠ/KⅡ比例的测试结果，拟合更为准确的混凝土I-II复合型断裂相关性方程。
式中，a、b、c、d为拟合参数，无量纲量；
KIC为纯I型断裂韧度，可由本试验测试装置测得，此时预制裂缝在梁的正中间位置，C＝0。
本实施例的现有的三点剪切试验梁2是指偏裂缝布置的《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁；荷载量测装置6是荷载传感器，应变测量装置7是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片，位移测试装置14是指固定在预制裂缝处位移计。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在测试的压力机上设置直偏裂缝三点剪切梁，所设置的裂缝是预制裂缝，位置距离梁长度方向的中线位置按试验要求变化设计；压力机与三点剪切试验梁之间设有两个支撑座，每个支撑座到其相邻三点剪切试验梁的一端的距离是10cm；所述的三点剪切试验梁上端中点处设有一个施力座，所述上部施力座上部设有荷载量测装置；所述三点剪切试验梁上设有应变测量装置；
(2)所述的预制裂缝下端设置第一夹式引伸计(8)，测量裂缝处的滑口位移CMD；所述的预制裂缝上端两侧分别设置特制的钢垫块，布置第二夹式引伸计(11)，测量裂缝竖向张口位移CVOD；
(3)压力机通过施力座向所述直偏裂缝三点剪切试验梁施加测试载荷P，通过荷载量测装置测出施加的最大测试荷载Pmax，通过应变测量装置测出起裂荷载Pini；
(4)所述的第一夹式引伸计(8)与第二夹式引伸计(11)分别测试到断裂整个过程中的裂缝滑口位移CMD以及裂缝竖向张口位移CVOD，断裂扩展轨迹为非线性，得到断裂过程中Ⅰ型破坏的张开位移CMOD：
(5)根据所述试验的测试结果，可以完成Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝中Ⅰ型、Ⅱ型破坏的断裂参数的确定，其中，Ⅰ型破坏断裂参数的确定由截面处的正应力分布决定，具体如下：
①Ⅰ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，
式中，为失稳断裂韧度；Pun为失稳荷载；m为试件支座间的质量；g为重力加速度；S为试件两支座间的跨度；ac为有效裂缝长度；t为试件厚度；h为试件高度；θ为断裂角，为裂缝扩展轨迹与竖直轴线形成的角度，单位为弧度；
②Ⅰ型断裂起裂韧度按下式计算：
式中，
式中，为起裂断裂韧度；Pini为起裂荷载；a0为初始裂缝长度；
(6)裂缝破坏过程中，Ⅱ型断裂参数的确定由截面处的剪应力分布决定，具体如下：
①Ⅱ型断裂失稳韧度按下式计算：
式中，为Ⅱ型失稳断裂韧度；
②Ⅱ型断裂起裂韧度按下式计算
式中，为Ⅱ型断裂起裂韧度；
(7)根据所述的计算断裂韧度，建立更为准确的混凝土I-II复合型断裂相关性方程：
式中，a、b、c、d为拟合参数；KIC为纯I型断裂韧度。
2.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：所述的预制裂缝是按照《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁的预制裂缝的方式，所布置的位置根据试验要求设计，用于完成不同KⅠ/KⅡ比例下的复合断裂韧度的比较。
3.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：所述第二夹式引伸计(11)是采用菱形棱柱体垫块固定，第二夹式引伸计(11)采用裂缝尖端中心对称的方式单端固定在混凝土表面。
4.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：所述位移测试装置是指固定在预制裂缝处位移计。
5.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：所述荷载量测装置为荷载传感器，所述应变测量装置是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片。
6.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：所述三点剪切试验梁是指偏裂缝布置的《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲试验梁。
7.如权利要求1所述混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂性能测试方法，其特征在于：通过计算得到的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度，建立更为准确的混凝土I-II复合型断裂相关性方程。
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