混凝土楔入劈拉试件预制裂缝类型对断裂能的影响.pdf

2 0 1 1年 第 8 期 (总 第 2 6 2 期 ) N u mb e r 8i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0I ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 2 2 混凝土楔入劈拉试件预制裂缝类型对断裂能的影响 田傲霜 。王学志 ( 辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 1 2 1 0 0 1 ) 摘要： 对 4 种不同预制裂缝切13 形式的普通混凝土试件和碾压混凝土试件进行楔人劈拉试验， 得到了各种工况下不同切lZ l 形式试件的 断裂能。 分析了预制裂缝切13形式对楔人劈拉试件断裂能的影响。 试验结果表明： 锯开形成切 13的试件断裂能最大， 切口形式为 v型的试 件次之 ， 预埋钢片的试 件再次之 ， 而缝端有一定宽度 的试 件断裂能最小 。 预制裂缝切 V I 形式对普通混凝土断裂能 的影响较 大， 对碾压 混凝 土断裂能的影响较小。 几种预制裂缝切 13形式下 的楔人劈拉试件断裂能测试中 ， 采用尖端 v型的钢 片预制裂缝效果较好。 关键词 ： 普通 混凝土 ；碾压混凝土 ；断裂能 ；楔人劈拉试验 ；预制裂缝切 口形式 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 6 7 0 3 Ef f ec t o f i nc i s i on s ha pe s o f p r e f abr i c a t e d c r a c k on f r actur e en er g y of c on cr et e w e dg e s pl i t t i ng s p ec i mens T I AN Ao s hu a n g， WANG Xu e - z h i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n gI n d u s t r y Un i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Th e we d ge s p l i Ri n g t e s t f o r fou r d i ffe r e n t i n c i s i o n s h a pe s o f p r e f a br i c a t e d c r a c k o f p l a i n c o n c r e t e a n d r o l l e r c o mpa c t e d c o n c r e t e s p e e i me n s wa s c a r de d o u t a n d f r a c t u r e e n e r g y we re o b t a i n e d Th e e ffe c t o fi n c i s i o n s h a pe s o fp r e f a b ric a t e d c r a c k o n f r a c t u r e e n e r gy we re c o mp a r e d o n t h e an a l y s i s o f t e s t s r e s ul t s I t i n d i c a t e s t h a t f r a c t u r e e n e r gy o f t ho s e s a we d s p e c i me n s i s t h e l a r g e s t ， t h os e o fV s h a p e d i n c i s i o n s p e c i me n s t a k e s t h e s e c on d p l a c e and t h o s e o fe mb e d d e d s t e e l p l a t e s p e c i me n s i s t h e t h i r d， wh i l e t h o s e o fr e c t ang l e s h a p e d i n c i s i o n s p e c i me n s i s t h e s ma l l e s t T he r e s ui t s h o we s t h a t i n c i s i o n s h a pe s o f p r e f a b ric a t e d c r a c k h a s mo re i n flu e n c e for p l a i n c o n c r e t e t h a n r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e V- s h a p e d i n c i s i o n p r e f a b ric a t e d c r a c k i s p r e f e r a bl e wh e n t h e we d g e s p l i c i ng t e s t i s r e q ui r e d Ke y wor ds ： p l a i n c o n c r e t e； r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e； fra c t u r e e n e r gy ； we d g e s p l i t t i n g t e s t ； i n c i s i o n s h a p e s o f p r e f a b ric a t e d c r a c k 0引言 1 试验过程 混凝土的断裂能 G 是一个基于虚拟裂纹模型并考虑了 混凝土软化特性的断裂参数 ， 是指形成断裂区单位面积所需消 耗的能量， 它可由反映材料全部力学特征的荷载一 变形曲线下 的面积确定。 目前， 国内外对混凝土材料的断裂能及其测试都 比较重视【 l _ ， 然而这些工作大都限于普通混凝土 ， 对碾压混 凝土断裂能测试结果的报告却不多。 由于碾压混凝土在水利 工程中的广泛应用， 对其断裂特性的研究也是一个亟待解决 的问题。 楔人劈拉试件是 目前广泛采用的断裂试验几何形式 ， 试验条件下楔入劈拉试件 中的初始裂缝 ， 多采用尖端 v形的 3 l n l n厚 的钢板 预制形 成 1 5 ， 而 在实 际的工 程应 用 中 ， 造成 混 凝土开裂损伤的原因多种多样。 这些裂缝成因不同， 形态各异， 对混凝土 断裂特性 的影响也有 所不 同。 另外 ， 从 成缝方法 和对 缝的影响的角度来看， 预埋裂缝和锯缝缝尖对于裂缝区裂纹扩 展路径的影响程度也不相 同， 其对混凝土断裂能的影响存在 多大的差别也有待研究。 为此， 本研究紧密结合 水工混凝土 断裂试验规程 ， 测定了碾压混凝土楔人劈拉试件在不同预制 裂缝切口形式下的断裂能值 ， 并与同龄期普通混凝土断裂能的 测定值进行了比较。 收稿 日期 ：2 0 1 l - o 2 - _0 5 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) 1 1 原材料和配合 比 试验用水为生活用 自来水 ， 水泥为 P 0 3 2 5级水泥， 选用 I I 级粉煤灰 ， 砂子为天然中砂 ， 最大粒径 5 i l n l ， 粗骨料采用最 大粒径 为 2 0 mm 的 I 级配 碎石 ， 外加剂 为混凝土高效 减水剂 。 试验所用配合比如表 1 所示 。 表 1 普通 混凝土( P C) 及碾压混凝土( R CC) 配合比 1 2试 件 的制作 制作普通混凝土( P c) 和碾压混凝 土( R C C) 各 四组每组 6 个 共 4 8个试件， 所有试件均采用标准钢模浇筑， 分两次振捣成型， 每次成型厚度约为 7 5 mi l l ， 试件一侧中间位置垂直放置两侧涂 油的钢片， 钢片外面包塑料隔离层( 防止钢片同混凝土黏在一 起) 。 每种类型试件按预制裂缝切口 形式分为四种工况( 见表 2 ) 。 全部试件采用塑料覆膜， 室温洒水方式养护 9 0 d 。 在试验前 3 d ， 将试件表面磨平， 用建筑结构胶将切割好的大理石块黏在 开缝一侧的试件两端( 如图 1 ) 。 试验前实测相关参数见表 3 。 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将获取的F C MO D曲线微分分段， 微分后的梯形面积 矩形 面积， 利用 E x c e l 逐段计算， 然后累加即可获得曲线下的总面积。 ( 2 ) 计算韧带断面的面积 。 A g - t ( h - a ) ( 1 ) 式中： 试件厚度， m； 试件高度 ， m； 。 裂缝的初始长度 ， m。 ( 3 ) 由式 ( 2 ) 计算 断裂能 G F 。 一 十 C MOD r 2t a n0 式中： c MD D 裂缝口最大张开位移 ， mm； ， 楔形加载架的质量( 本试验 m g = l 1 2 k N) ； 楔形加载架的楔面与纵轴的夹角( 理论上， 楔形角 0 越小越好， 但太小不易操作， 本试验 0 =- 1 5 。 ) 。 根据上述公式 ， 得到有效试件断裂能的计算结果见表 4 。 表 4 普通混凝土及碾压混凝土断裂韧度的计算值 2 3 试验结果及原 因分析 绘制两类试件断裂能与预制裂缝切口类型之间的关系曲 线 ， 如图 5 所示 。 4 0 0 350 一 目 300 250 邑2 0 0 罐 1 5 O o 0 5 O O P CJ RC CJ P CV RCCV PCY RCCY PCD， RCCD 预制裂缝切口情况( 工况) 图 5 试 件断裂能与预 制裂缝切 口类型的关 系曲线 ( 1 ) 几种预制裂缝切口形式中， P C试件断裂能由高到低依 次是： P C J P C V P C Y P C D。 结合观察到的试验现象 ， 分析其中 的原 因 ： 混凝 土是一种 非均质 的准脆性材料 ， 它的破坏是 由于 其中的裂缝扩展引起的， 而裂缝的扩展又是由于缝端区域的微 裂缝在外载作用下不断扩展 、 汇集 、 贯通而造成的。 与此同时 ， 缝端附近将出现一个微裂缝区。 从能量角度而言， 微裂缝区的形 成和扩展将消耗外力功。 微裂缝扩展路径越长， 断裂面曲折度越 高， 断裂过程中消耗的能量就越高。 在工况一的情况下， 预制裂 缝尖端的 v型切口使裂纹易于沿着单一方向扩展， 断裂能受到 骨料与砂浆之间的黏结力影响较大， 断裂面较平直； 在工况二 的情况下 ， 部分粗骨料在预制裂缝过程中被破坏， 裂纹可能不 沿预制裂缝扩展 ， 断裂面曲折 ， 试件开裂过程中消耗的能量较 多， 故断裂能最高 ； 在工况三的情况下 ， 由于预制裂缝带有一定 的宽度 ， 所以缝端也有一定的宽度 ， 即缝端不是尖的， 而是钝 的， 使得切口可能沿一主一次两个方向发展， 有的裂缝甚至绕 过 测试 点 ， 因而 断裂能最低 。 在工况 四的情况下 ， 预埋钢 片与预 制 裂缝产生 黏结 ， 缝端形成 的微裂缝 较多 ， 主裂缝发展 趋势不 明显， 故断裂能低于工况一 、 二而高于工况三。 ( 2 ) R C C试件的断裂能在不同预制裂缝切口情况下的变化 趋势与 P C的基本一致 ， 即： R C C J R C c V R c c Y R c c D。 原理 与 P C相 似。 ( 3 ) 预制裂缝切 口形式对普通混凝土断裂能的影响较大 ， 对碾压混凝土断裂能的影响较小。 原因在于： 两种类型的混凝土 所用原材料及配合 比有一 定的差异 ， 普通混凝土呈 现出较高 的 脆性性 能 ， 而碾压混凝土制作过程 中碾压层方 向与 裂缝 的开裂 方向是垂直的， 楔人劈拉试验中试件裂缝两侧的受力是完全对 称的， 沿着高度的方向上每一层的碾压混凝土都可以看作是均 质材料 ， 在荷载作用下， 裂缝扩展路径呈多向性， 故预制裂缝 切口形式对其断裂能的影响更小些。 3结论 采用楔入劈拉试验方法对不同成缝方式的普通混凝土和 碾压混凝土进行了试验研究， 得到如下结论： ( 1 ) 总体上 ， 两类混凝土试件断裂能在不同预制裂缝切 口 形式下呈现出较为一致的规律： 锯开形成切口的试件( 工况二) 断裂能最大 ， 切 口形式为 v型的试件( 工况一 ) 次之， 预埋钢片 的试件( 工况四) 断裂能再次之， 而缝端有一定宽度的试件( 工 况三 ) 断裂能最小 。 ( 2 ) 预制裂缝 切 口形式对普 通混凝 土断裂能 的影 响较 大 ， 对碾压 昆 凝土断裂能的影响较小。 ( 3 ) 通过试验现象和断裂参数分析两方面的综合比较 ， 在 几种预制裂缝切口形式下的楔人劈拉试件断裂能的测试中， 采 用尖端 v型的钢片预制裂缝效果较好。 参考文献 ： 1 HI L L E R B O RG AT h e t h e o r e t i c a l b a s i s o f me t h o d t o d e t e r mi n e t h e f r a c t u r e e n e r g y G F o f c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 5 ， 1 8 ( 4 ) ： 2 9l 一 29 6 【 2 R E F A I T M E， S WA R T Z S E F r a c t u r e b e h a i o r of c o n c r e t e b e a ms i n t h r e e - p o i n t b e n d i n g c o n s i d e ri n g t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t s R K a n s a s S t a t e Un i v e r s i t y： En g i n e e ri n gEx p e rime n t s S t a t i o n， 1 9 8 7： 1 9 0 3 B R15 HWI L E R E， WI T T MA NN F H T h e w e d g e s p l i t t i n g t e s t ， a n e w me t h o d o f p e r f o r mi n g s t a b l e f r a c t u r e me c h a n i c s t e s t s 【 J J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 0 ， 3 5 ( 1 2 3 ) ： 1 1 7 1 2 9 下转第 7 2页 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 网络预测结果。 如此 可进行一步或 多步预测 。 2 桥 梁施工状况评估 的小波神经 网络模 型应用 2 1 模 型指标的建立 综合分析相关研究成果， 经过比较分析， 选取测量时温度 、 截面的箱梁高度 、 截面积 、 截面抗弯惯矩及各 自至 T构巾心的 距离 、 施 工节段 预应力顶板 索和预应 力腹板 索的张拉 力 ； 理 论 计算的张拉后标高变化值、 同时由于各 T构的施丁周期不同， 将 张拉时间也作为影响因素。 2 2工程 应用 结合某大桥主桥挂篮悬臂施工过程控制 ， 建立小波神经 网络模型， 可对各节段施工中的预应力张拉进行状况评估与分 析 。 该桥为 7 5 m+ 5 x 1 2 0 m + 7 5 11 1 的七跨一联预应力混凝土变截 面连续箱梁 。 考虑测量噪声的干扰， 从 4 号节段( 5号截面) 开始的后续 施工， 逐步积累测量的标高样本。 例如 4号节段张拉完成后 ， 累 计有 5 个样本 ， 每个样本包括网络输入 的 1 3 个参数 和网络输 出 的该讨论截面的标高变化实测值。 表 1 列出了 3 9 号 T构第 l 4 号 节段张拉完成后 ， 用建立的小波神经网络模型对其预测的结果， 并列出了相对误差。 可见采用本文建立的模型预测精度较常规 计算变形精度高， 可有效的评估桥梁状况。 另从表 2可以看出测 量截面参数与实测标高各变量问有较好的相关性。 表 2 测量截面参数与 实测标高各变量间的相关分析 注： 表中 ( 1 ) 至X( 6 ) 分别表示测量截面参数的箱梁高、 位置、 箱梁面积、 截面惯矩及实测标高。 3结 论 通过 对施 T张 拉工 序分析 ， 施 T控制 的反 馈调 整方 法 能 对施 工 状 况进 行较 准 确地 判 定 。 建立 的模 型 有 1 3个 输 入 参 数， 通过敏感度分析修正模型参数 ， 可通过预测截面标高对混 凝土桥梁结构进行定量评估。 在结果不甚理想时， 可以采用改 变神经网络的拓扑结构， 即修改分析模型以取得较合理的识 别结论 。 需要指出的是 ， 在实测后的分析中， 不仅要利用模型 进行预测 、 判定， 由于桥梁施T中影响冈素复杂 ， 所建立的模 型不一定完善 ， 对张拉状况判定结果的可信度分析有待进 一 步研 究 参考文献 ： 【 1 】 姚志强 ， 阮小平， 邓清 拱桥吊杆变形差异引发桥面断裂及类似事故 的预防措施I J l _公路， 2 0 0 2 ( 7 ) ： 7 3 7 5 【 2 】 林顺洪有限单元法在钢管混凝土拱桥吊杆内力计算中的应用 J J 重 庆工业高等专科学校学报， 2 0 0 2 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 9 2 1 3 向木生 ， 刘斌， 陈生铸 神经网络模型在桥梁施工状况评估中的应 用 交通科技 ， 2 0 0 8 ( 2 2 8 ) ： 7 - 9 上接第 6 9页 4 B A AN T Z P ， K A Z EMI M T D e t e r mi n a t i 0 n f ) f f r a ( t u r e e n e r g y ， p r o c e s s z o n e l e n g t h a n d b rit t l e n e s s n u mb e r f r o m s i z e e f t e e t ， wi t h a p p l i c a t i o n t u r o c k a n d c o n c r e t e J 1 i n t J F r a c t ， 1 9 9 0 ( 4 4 ) ： l 1 1 1 3 1 5 】吴智敏 ， 赵国藩 混凝土断裂能的尺寸效应 工业建筑 ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 1 1 ) ： 2 5 2 8 6 RA J E N D RA K N， C H E N G T Z U T H， e t a 1 T r u e f r a c t u r e e n e r g y o f c o n c r e t e J A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 2 ) ： 2 1 3 - 2 2 5 7 张林， 徐进， 陈新， 等碾压混凝土断裂试验研究 水利学报， 2 0 0 1 ( 5 ) ： 4 5- 4 9 【 8 】 严安 ， 吴科如， 姚武， 等 混凝土的断裂能随断裂路径的变化规律l J J 水利学报， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 6 8 O 【 9 】 徐世煨 ， 赵艳华 ， 吴智敏， 等 楔入劈拉法研究混凝土断裂N J 1 水力 发电学报 ， 2 0 0 3 ， 8 3 ( 4 ) ： 1 5 2 2 【 l O 】 黄海燕， 张子明 混凝土断裂能的统计分析lJ 1 水利水电技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 9 ) ： 9 5 9 7 1 1 】 徐世煨 ， 卜 丹， 张秀芳 楔入式紧凑拉伸法确定混凝土的断裂能I J 1 水 利学报， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 6 ) ： 6 8 3 6 8 8 72 4 潘国荣， 谷J l 1 变形监测数据的小波神经网络预测方法I J l _大地测量 与地球动力学 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 4 ) ： 4 7 5 0 5 焦明连 ， 蒋廷 臣 基于小波分 析的灰色预测模 型在大坝 安全监 测中 的应 用I J J l大地测量与地球动力学 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 2 ) 1 1 5 - 1 1 7 【 6 潘平 基于小波神经网络理论的边坡位移预测 J l 成都理工大学学 报： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 7 7 一 l 8 0 7 Z HA N G Q i n g h u a ， B E N V E N I S T E AWa v e l e t n e t w o r k D I E E E T r a n s o n N e u r a l N e t w o r k ， 1 9 9 2 ( 3 ) ： 8 8 9 8 9 8 8 孙延奎小波分析及其应用【 M 】 _ E 京： 机械工业出版社， 2 0 0 5 9 l9 唐晓初小波分析及其应用 Ml _ 重厌 ： 重厌大学出版社， 2 0 0 6 【 l O 刘志刚， 王晓茹， 何正友， 等 小波变换、 神经网络和小波网络的函数 逼近能力分析与比较l J 1 电力系统自动化， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 2 0 ) ： 3 9 4 4 【 1 1 李元松， 李新平， 张成良基于 B P网络的隧道围岩位移预测方法 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 9 6 9 2 9 7 3 1 2 吕淑萍， 赵咏梅 基于小波神经网络的时间序列预报方法及应用 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 2 作者简 介 单位地 址 联 系电话 胡小鹏( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师。 南昌币丰和大道 1 3 1 8号 南昌市建设工程质量监督站 ( 3 3 0 0 3 8) l 3 8 0 7 0 9 8 9 6 6 【 1 2 Z HA O Y a n h u a ， XU S h i l a n g ， WU Z h i mi n V a r i a t i o n o f f r a c t u r e e n e r g y d i s s i p a t i o n a l o n g e v o l v i n g f r a c t u r e p r o c e s s z o n e s i n c o n c r e t e J l A S C E， J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 1 9 ( 8 ) ： 6 2 5 6 3 3 【 1 3 田傲霜， 贾艳东， 刘红艳 ， 等 不同类型混凝土受环境影响后断裂性 能的研 究 J 1 武汉理工 大学学报 ： 交通科 学与工程版 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 2 ) ： 31 3 - 31 5 1 4 赵艳华 ， 陈晋， 董伟 昆 凝士非标准楔入劈拉试件断裂参数的确定I J l l 水利与建筑工程学报 ， 2 0 1 0 ， 8 ( 1 ) ： 1 4 【 1 5 D I J T 5 3 3 2 -2 0 0 5 ， 水工混凝土断裂试验规程【 s E 京： 中国电力出 版社， 2 0 0 6 f 1 6 王学志， 毕重， 任莉莉， 等 缝高比对碾压混凝土名义断裂韧度的影 Q J I 混凝土， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 2 1 2 4 作者简介： 田傲霜( 1 9 7 5 一 ) ， 女， 讲师， 硕士， 主要从事混凝土断裂研究。 单位地址： 辽宁工业大学土木建筑工程学院办公室( 1 2 1 0 0 1 ) 联 系电话 ： 0 4 1 6 4 1 9 8 7 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m