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K_Ic的主要因素，而造成K_Ic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P_ini、Δαc及最大荷载P_max获得了与试件高度无关的起裂断裂韧度Kⁱⁿⁱ_Ic及失稳断裂韧度K^un_Ic，据此提出了混凝土结构裂缝扩展的双K断裂准则，即当KI=Kⁱⁿⁱ_Ic时，裂缝起裂；当Kⁱⁿⁱ_Ic&<K_I≤K^un_Ic时，裂缝稳定扩展；当KI&>K^un_Ic时，裂缝失稳扩展。然而，Kⁱⁿⁱ_Ic、K^un_Ic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、P_ini，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，Kⁱⁿⁱ_Ic、K^un_Ic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Kⁱⁿⁱ_Ic、K^un_Ic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

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K^c_I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：

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：

式中

(7)式中:σ_s(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]： 

式中：c₁、c₂为材料常数。当用CTODc代替式中的ω时即可得到σ_s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：

因此，在临界状态时，在虚拟裂缝区内由闭合力σ(x)产生的断裂韧度K^c_Ic为：

2.2 混凝土双K断裂参数的确定 由式(3)可知，当裂缝处于临界状态时，_

式中：Kⁱⁿⁱ_Ic、K^un_Ic称为起裂断裂韧度及失稳断裂韧度。其中失稳断裂韧度K^un_Ic可将试验中测得的最大荷载P_max及由式(2)计算的αc代入式(4)获得，而起裂断裂韧度Kⁱⁿⁱ_Ic定义为混凝土裂缝起裂时的荷载P_ini对应的应力强度因子，它表示材料抵抗裂缝扩展的能力。但要精确测量P_ini比较困难。

　　对于理想弹塑性材料，根据D M模型，由于裂缝尖端附近出现较大的塑性区，使得裂缝尖端的应力奇异性消失，即K_I＝K_Ip－K_cI＝0，也就是说由闭合力σ(x)产生的负的应力强度因子完全抵消由拉应力产生的正的应力强度因子，而混凝土为半脆性材料，由σ(x)产生的负的应力强度因子不能完全抵消由拉应力产生的正的应力强度因子，因此K_I≠0。这样，若在试验中测得混凝土试件的抗拉强度f_t、最大荷载P_max及对应的裂缝口张开位移CMODc、弹性模量E等参数，根据以上各式便可获得混凝土的双K断裂参数。

3 试验结果

　　试件尺寸均为400mm×400mm×200mm，初始缝高比α₀/h分别为0.2、0.4、0.5、0.6，每组试件为3个。试件所用材料为大连产河砂，石灰岩碎石，最大骨料粒径为20mm，水泥为大连水泥厂生产的425^＃普通硅酸盐水泥，试件配合比为水泥∶砂子∶石子∶水=1∶1.73∶3.01∶0.52.试验时测得150×150×150mm³立方体抗压强度f_cu为38.8MPa，抗拉强度ft为3.0MPa，弹性模量E为32.2GPa.试验测得的各试件P_max、CMODc、G_f等参数见表1.

4 混凝土双K断裂参数计算结果

　　根据试验测得的P_max、f_t、E、CMODc、G_f等参数即可计算混凝土的αc、Kⁱⁿⁱ_Ic、K^un_Ic及CTODc等值。详细结果见表2.从表2中可以发现，试件初始缝高比的不同，裂缝亚临界扩展量Δαc也有所不同，而K^un_Ic值则与试件的α₀/h无关；当试件缝高比α₀/h≥0.4时，所计算的Kⁱⁿⁱ_Ic、CTODc也基本上与α₀/h无关，但采用不同的闭合力方程所计算的Kⁱⁿⁱ_Ic却有所不同，可见断裂能G_f及σ-ω曲线形状对Kⁱⁿⁱ_Ic有明显影响。

5 结 论

　　根据本文的计算及分析，可以得到如下结论：(1)混凝土结构的裂缝在起裂后，由于闭合力的作用使之在失稳断裂前存在较大的亚临界扩展阶段，而不象脆性材料一经起裂便失稳扩展。(2)混凝土失稳断裂韧度KunIc与试件初始缝高比无关，可以作为混凝土材料的断裂参数。(3)当试件初始缝高比α₀/h≥0.4时，根据虚拟裂缝模型计算的混凝土Kⁱⁿⁱ_Ic及临界裂缝尖端张开位移CTODc值也与试件α₀/h无关。(4)采用不同的闭合力方程所计算的KiniIc相差较大，因此在计算Kⁱⁿⁱ_Ic时应考虑断裂能G_f及σ-ω曲线形状的影响。(5)当α₀/h≥0.4时，KiniIc、KunIc及CTODc可以作为混凝土的材料常数，因此在测定KiniIc、KunIc及CTODc时α₀/h宜取0.4～0.6。

参 考 文 献：

［1］ 徐世烺，赵国藩。混凝土裂缝的稳定扩展过程与临界裂缝尖端张开位移[J]。水利学报，1989，(4).

［2］ 徐世烺，赵国藩。光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程[J]。水力发电学报，1991，(3).

［3］ 吴智敏，徐世烺，王金来。基于虚拟裂缝模型的混凝土双K断裂参数[J]。水利学报，1999，(7).

［4］ Shilang Xu，Reinhardt H W. Determination of double K criterion for crack propagation in quasi brittle fracture， part Ⅱ: Analytical evaluating andpractical measuring methods for three point bending notched beams[J]。International Journal of Fracture，1999，98(2).

［5］ 中国航空研究院主编。应力强度因子手册[M]。北京：科学出版社，1981.

［6］ Reinhardt H W， Cornelissen H A W， Hordijk D A.Tensile tests and failure analysis of concrete［J］。Journal of Structural Engineering， 1986，112(11).