垫条宽度对混凝土劈拉试验破坏形态的影响.pdf

第 3 3卷第 2期 2 0 1 2年 4月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No ah Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c Po we r Vo 1 ． 33 No ． 2 Apr ．2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 2— 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) O 2— 0 0 7 1一 O 4 垫条宽度对 混凝 土劈拉试 验破坏形态 的影 响 路 遥 ，孙 明权 ，史长城 ，冯凌云 ，乔连 朋 ( 1 ． 华北水利水 电学院 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 河南省水利 科学研 究院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要 ： 通过有 限元计 算和试验 ， 探讨 了垫条宽度对 混凝土劈裂抗拉试验 的影 响． 结果 表明 ： 当垫 条宽 度与立 方体试件边长 的比值 k 在 0 ． 1 6 7～ 0 ． 6 0 0时 ， 有效缓解 了加载部位的应力集中 ， 能保证立方体 试件在端 面中心 处起 裂． 关键词 ： 抗拉强度 ； 巴西试件 ； 三维有 限元法 ； 强度准则 抗拉强度是混凝土的基本力学参数之一． 目前 ， 测定混凝土抗拉强度的方法有轴 向拉伸试验法、 混凝 土小梁弯曲试验法及劈拉试验法． 轴向拉伸试验法的 测定结果接近于混凝土的真实值 ， 但试验中难以克服 受力偏心问题． 混凝土小梁弯曲试验法 的理论推导 中， 采用的计算假定与实际情况有较大出人 ， 得出的 混凝土抗拉强度值往往 比采用轴向拉伸试验法所得 的结果高很多． 因此大多采用劈裂抗拉试验法间接测 定混凝土的抗拉强度． 劈拉试验方法最早 由巴西人 C a r n e i r o F L提出， 采用的是圆柱体劈裂试件 ， 后来这 种试件被称为 巴西试件． Wr i g h t P J 运用弹性力学理 论推导出巴西试件受劈拉荷载下的解析解． 一些国家 ( 包括我国) 劈裂抗拉试验一般采用 的是立方体试 件． 对此， C a u w e l a e r t F V给出了立方体试件劈拉受力 的解析解． 尽管劈裂抗拉试验方法应用广泛， 但在工 程实践和理论研究上仍存在一些问题． 1 混凝土劈裂抗拉试验存在的问题 我 国一般 采用 边长 1 5 0 m m 的立方 体 作 为标 准 试件进行劈裂抗拉强度 试验． 《 水工混凝土试验规 程》 ( D L ／ T 5 1 5 0 --2 0 0 1 ) 中规定 ， 采用钢垫条进行加 载 ， 对 标 准 试 件 ， 垫 条 截 面 5 m m 5 mm， 长 约 2 0 0 mm ． 劈 裂抗 拉试 验受力 示 意 图如 图 1所示 ． 试件劈裂抗拉强度计算公式为 J D —7 7 7 _ 7 7 — 77 _ 7 7 J D ( a )立方体试件 P —777_ 7 7r 】 7 _ 777 7 J p ( b )圆柱体试件 1 ～压板 ； 2 一试件 ； 3 一裂缝 ； 4 一垫条 圈 1劈裂抗拉试验受力示意 图 ( 1 ) 式中 ： 为劈裂抗拉强度 ， M P a ； P为破坏荷载 ， N； A 为试件劈裂面面积 ， m m ． 式( 1 ) 是在平面应力或平面应变条件下推导 出 的弹性 力学 解． 假设试 件 的破 坏 遵从 G r i f f i t h强度 准 则 ， 结合平面上各点的应力状态可得该式的使用条 件 是试 件 的破坏 由 中心 最 先 起 裂． 此 条 件 同时 也 是 常规劈裂抗拉试验有效性得到满足的条件． 实际试验中， 试样是一个三维实体 ， 不满足推导 式( 1 ) 时遵从的前提条件． 喻勇 对 巴西 圆盘试验 进行了三维有限元分析 ， 发现圆盘横截面上的应力 值沿试件厚度方 向变化 ， 越靠 近两端面 ， 应 力值越 收 稿 日期 ： 2 0 1 1—1 2—2 8 基 金项目 ： 河南省科 技攻关 项 目( 0 9 2 1 0 2 2 1 0 0 7 4 ) ． 作者简介 ： 路遥 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 山西长治人 ， 硕 士研究生 ， 主要从事筑坝新技术方面的研究 通 信作 者 ： 孙明权( 1 9 5 5 一 ) ， 男 ， 河北逐鹿人 ， 教授 ， 硕士 ， 主要从事筑坝新技术方面 的研究 ． 7 2 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 4月 大． 且 由于加载点处的应力集 中， 试样是从端面加载 点处起裂 ， 所以常规劈裂抗拉试验有效性没有得到 满足 ， 由此引起常规劈裂抗拉试验得到的抗拉强度 与直接拉伸法得到的结果有较大 出入． 改变加载形 式 ， 由常规劈裂抗拉试验中的线荷载改为均匀的面 荷载( 对于立方体试件可直接改变垫条宽度 ， 对于 圆柱体试件需要将 其处 理成平 台圆盘试件 ) ， 能有 效减轻加载部位的应力集 中， 并保证试件的 中心起 裂． 王启智等 对均布受压平 台圆盘通过数值计算 得出当平 台对应的加载角 2 ≥2 0 。 时， 可保证加 载 过程 中试样在中心部位起裂． 张盛等 进一步研究 得出平台圆盘试样的最先起裂点在试样端面中心而 不是 圆盘 内部 中心点． 以上 学 者 都 是 在 线 弹 性 有 限 元 基 础 上 ， 结 合 G r i f fi t h强度准则得 出了关于劈裂抗拉试验 的有 益 成果． 笔 者在 弹 塑性 有 限元 基 础 上结 合 Wi l l a m— Wa r n k e准则 ， 进一步分析 了标准混凝土试件在不同 宽度的均布面荷载作用下的劈裂抗拉响应． 2 标准试件的有限元分析 利用有限元 软件 A N S Y S中的 S o l i d 6 5单元研 究标准混凝土试件在不同宽度的均布面荷载作用下 的劈裂抗拉响应 ， 压条宽度考虑了 1 6种， 即 0 ( 线 ) ， 5， 1 0， 1 5， 2 0， 2 5， 3 0， 3 5， 4 0， 45， 5 0， 60， 70， 8 0， 9 0， 1 0 0 mm， 相应的压条宽度 c与立方体试件的边 长 口 的 比值 k=0 ． 0 0 0 ， 0 ． 0 3 3， 0 ． 0 6 7 ， 0 ． 1 0 0 ， 0 ． 1 3 3 ， 0． 1 6 7， 0 ．2 00， 0．2 3 6， 0． 26 7， 0．3 0 0， 0．3 3 3， 0． 4 0 0， 0 ． 4 6 7， 0 。 53 3， 0 ． 6 0 0， 0． 6 6 7． 2 ． 1 计算模型的建立 S o l i d 6 5单元本身是采用弥散裂缝模型和最大拉 应力开裂判据 ， 因此在很多情况下会因为应力集中而 使混凝土提前破坏 』 ， 导致与试验结果不相吻合． 因 此 ， 实际操作中对单元划分进行了有效控制， 单元尺 寸不宜太小． 计算模型如 图2所示 ， 顶面上施加与压 条等宽的沿 l ， 负方向0 ． 1 m i ll 的位移面荷载， 逐步加 载， 底面上与压条等宽的局部面上 y向位移为 0 m m． 图 2 标准试件 的有 限元模型 2 ． 2 材 料参数 和本构 关 系 混凝土弹性模量取 E 。 = 31 0 N ／ m ； 泊松 比 取 0 ． 2 ； 本构关系数据表使用 Mu h i l i n e a r K i n e m a t i c H a r d e n i n g P l a s t i c i t y模 型． 本构关 系具体数学模 型， 采用文献[ 6 ] 中建议的混凝 土单轴受压应力 一应变 曲线方程． 当 ≤l 时 ， Y=a a x+( 3— 2 口 ) +( a 一 2 ) ( 2 ) 当 >1时 。 y a 1 ( 3 ) d( 一 ) + 、 =旦 ( 4 ) c Y= 13 " ( 5 ) ， 式中： 。 。 ， a 分别为单轴受压应力 一 应 变曲线上升、 下降段 的参数值 ， 分别取 2 ． 0 3 ， 1 ． 3 6 为混凝土 的 单轴抗压强度 ， 取 3 0 N ／ ra m ； 。 为与 相应 的混 凝土峰值压应变， 取 1 ． 6 41 0 一； ， 占分别为混凝 土单轴受压应力和应变． 根据式 ( 2 ) 一( 5 ) 确定 的混 凝土 单轴 受 压应 力 一应变曲线如 图3所示． 图 3 混凝土单轴受压应力 一应变曲线 混凝土的裂缝张开剪力传递系数 卢 。 。 取 0 ． 3 ， 裂 缝闭合剪力传递系数 卢 。 取 0 ． 9 ， 单轴抗拉强度 ． 取 3 MP a ， 单轴抗压强度 取 一1 ( 关闭压碎选项 ， 易于 收敛) ， 其余参数取默认值． 2 ． 3计算结果分析 根据裂缝 的最先起裂位置及发展情况 ， 可将垫 条宽度对标准试件的劈裂抗拉影响分为 3种． 1 ) k < 0 ． 1 6 7时， 立方体试件前后两个端面上加载 部位处最先起裂， 裂缝沿 l ， 方向发展， 同时向内部发 展． 假设图 1 ( a ) 所示端面上的裂缝 3是一条铅直的线 段， 混凝土起裂时， 线段上的应力分布如图4 ( a ) 所示 ( 拉应力为正， 压应力为负) ． 从图中看出加载部位混凝 土最先起裂 ， 是 由于很大的主压应力主导产生 的． 2 ) 0 ． 1 6 7 ≤k ≤0 ． 6 0 0时， 立方体试件前后两个 端面上加载部位两侧 ， 如图 1 ( a ) 中点 A ， ， C ， D处 ， 7 4 华北水利水 电学院学报 2 O 1 2年 4月 表 1 计 算和试验 中裂缝的开裂和发展情况 外荷载作用下从端面中心部位起裂 ， 这对试验的有 效性 是重 要 的． 4 结语 改变混凝土劈裂抗拉试验中所用压条 的宽度 ， 可缓 解混 凝 土加载 点处 的应 力集 中 ， 当 0 ． 1 6 7 ≤k ≤ 0 ． 6 0 0时， 且压条与混凝土之 间垫弹性软垫 ， 可保证 混凝土在端面中心由拉应力主导最先起裂． 可通过做大量试验， 建立不同 k 值时 ， 混凝土的 破坏荷载与抗拉强度的关 系， 并找到更合理的 k值 区间． 参考 文 献 [ 1 ]南京水利科学研究 院． D L ／ T 5 1 5 0 —2 O O 1水工试验 规程 [ s ] ． 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]喻勇． 质疑 岩石 巴西 圆盘 拉伸强度 试验 [ J ] ． 岩石 力学 与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 7 ) ： 1 1 5 0—1 1 5 6 ． [ 3 ]王启智 ， 贾学 明． 用平 台巴西 圆盘试样 确定脆性 岩石 的 弹性模量 、 拉伸强度 和断裂韧度——第一部 分 ： 解 析和 数值结果 [ J ] ． 岩石力学 与工 程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 9 ) ： 1 2 8 5 — 1 2 89． [ 4 ]张盛 ， 梁亚 磊 ， 李 大伟． 圆 盘厚度 对岩 石抗拉 强度 公式 的影 响性研究 [ J ] ． 采矿 与安 全工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 4 5 0—45 4． [ 5 ] 陆新征 ， 江见鲸． 用 A N S Y S S o l i d 6 5单 元分析 混凝土组 合构件复杂应力 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 ) ： 2 2— 2 4 ． [ 6 ]过镇 海． 混 凝 土 的强 度 和变 形 试 验基 础 和 本 构 关 系 [ M] ． 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 7 ]袁群 ， 冯凌云 ， 翟敬栓 ， 等 ． 橡胶混 凝土 的抗 碳化性 能试 验研 究[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 9 1— 9 3 ． Effe c t o f Spa c e r W i dt h o n Co nc r e t e Sp l i t t i n g Te ns i l e Te s t s L U Y a o ，S U N Mi n g ． q u a n ，S H I C h a n g ． c h e n g ，F E N G L i n g ． y u n ， Q I A O L i a n ． p e n g ( 1 ． No a h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 ． He n a n Wa t e r C o n s e rva n c y S c i e n c e A c a d e m y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t：Th e e f f e c t o f s p a c e r wi d t h o n c o n c r e t e s p l i t t e s t s i s d i s c us s e d t h r o u g h fin i t e e l e me n t c a l c ul a t i o n a n d t e s t s ．The r e s u l t s s h o w t h a t whe n t h e r a t i o o f s p a c e r wi d t h t o s i de l e n g t h o f c u be s p e c i me n k i s wi t h i n 0． 1 6 7 —0． 60 0，t he s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i n l o a d a r e a c a n b e e f f e c t i v e l y mi t i g a t e d，t h e n t h e c r a c k i ni t i a t i o n f r o m t he ce n t e r s e c t i o n o f e n d f a c e o f t he c ub i c s p e c i me n c a n b e e ns u r e d． Ke y wor ds ：t e n s i l e s t r e n g t h；Br a z i l i a n t e s t ；t h r e e — d i me n s i o n a l fini t e e l e me n t me t ho d；s t r e n g t h c rit e ria ( 责任编辑 ： 陈海 涛 )