全级配大坝混凝土断裂参数的试验研究和计算方法.pdf

2 0 1 2 年 第 8 期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 l 2 ( T o t a l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORe Tl CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 0 7 全级配大坝混凝土断裂参数的试验研究和计算方法 肖魁 ，何化南 ，贾君玉 ，董伟 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 ： 针对某大坝的实际工程 ， 采用大坝拌和楼出料 ， 浇筑最大骨料粒径为 1 5 0 mm 的全级配混凝 土楔入劈 拉试件进行断裂试验 。 在 裂缝尖端布置应变片， 利用应变回缩法测定起裂荷载 。 通过改善楔人劈拉试件的支承条件， 消除了由外荷载竖向分力引起的附加力矩 对裂缝尖端应力场和断裂参数的计算的影响。 结合 A N S Y S 软件， 精确计算T： I I 标准楔人劈拉试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度( 即双 断裂参数) ， 并与 水工混凝土断裂试验规程 规定的标准尺寸试件断裂韧度计算结果及基于虚拟裂缝黏聚力理论的解析结果进行对比。 结果表明： 全级配大坝混凝土的脆性较强， 普通混凝土软化曲线的经验参数对全级配混凝土并不适用； 在本试验的支承条件下， 规程规定 的断裂韧度计算公式也适用于大尺寸非标准试件双 断裂参数的计算。 关键词： 全级配混凝土；断裂；楔入劈拉；支承形式；有限元 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 2 0 0 4 Ex pe r i m e nt a l s t u di e s a nd c al c ul a t i on me t ho ds on dr a c t ur e p ar a me t e r s o f f ul l y- gr a ded dam c onc r e t e X A O Ku i ， HE Hu a - na n， J I A J m - y u， DONG W e i ( S t a t eK e y L a b o r a t o r yo f C o a s tal a n dOff s h o reE n g i n e e r i n g ， D a l i a n Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：F u l l y - g r a d e d c o n c r e t e we d g e s p l i t ti n g s p e c i me n s ma d e o f r a w ma t e r i a l s o fa d a m ， wh o s e ma ximum a g g r e g a t e s i z e i s 1 5 0 mm ， we r e u s e d i n t h e fra c t u r e t e s t Th e i n i t i a l c r a c k i n g l o a d s a r e s p e c i fie d b y t h e r e t r a c t i o n o f s t r a i n g a u g e s a t th e c r a c k t i p S u p p o r t i n g c o n d i t i o n s o f t h e we d g e s pl i t t i n g s p e c i me n a r e a d a p t e d t o a b a t e t he infl u e n c e o f a d d i t i o n a l v e rti c a l l o a d i n d u c e d mo me nt o n t h e s tr e s s fie l d a n d t h e c a l c u l a t i o n o f fr a c tu r e p a r am e t e r s aro u n d t h e c r a c k t i p Wi t h the s o ft w a r e ANS YS ， t h e i n i t i a l f r a c t u r e t o u g h n e s s a n d u n s tab l e f r a c t u r e t o u g h n e s s( d o u b l e - K f r a c t u r e p aram e t e r s ) o f n o n s t and ard we d g e - s p l i t t i n g s p e c i me n s i n the t e s t are c a l c u l a t e d ， w h i c h are c o mp a r e d wi th t h e fr a c t u r e p a r am e t e r s c a l c u l a t e d o n the f o r mul a e s p e c i fie d b y the“ No r m f o r fr a c t u r e t e s t o f h y d r a u l i c c o n c r e t e ”f o r s t a n d ard s p e c i me n s a n d o n the fic t i t i o u s c r a c k mo d e l r e s p e c t i v e ly Th er e s u l t s i nd i c a t et h a t f u l l y - g r a d e dc o n c r e t e ha sa h i g h e r b r i t t l e n e s s, e mpi r i c a l p a r a me t e r s in b i l i n e a r s o fte n i ngc u r v e so f o r d i na r yc o n c r e t earei n a p - pl i c a b l eto f u l l y - g r ade dc o nc r e t e Th eme tho dp r o p o s e db ythen o r mc a l l a l s ob e a p p l i e dt othe c a l c u l ati o nof n o n s t and a r dl a r g e s i z e s p e c i me ns K e ywo r d s ： ful l y gra d e d c o n c r e t e ； f r a c t u r e ； we d g e s p l i t t i n g ； s u p p o r t i n g c o n d i t i o n ； fi n i t e e l e me n t 0 引言 混凝土断裂力学始于 1 9 6 1 年， K a p l a n t 1 首先将断裂力学理 论应用于混凝土。 此后 ， H i l l e r b o r g t 2 提出了混凝土裂缝扩展过程 中断裂过程区的概念， 由于骨料咬合的作用 ， 断裂过程区内存 在着使裂缝闭合的黏聚力 ， 为描述黏聚力的大小 ， 许多学者基 于各自的试验结果建议了不同的混凝土软化本构关系曲线口 。 在此基础上 ， 建立起以断裂韧度为参量的各种断裂模型， 如双 参数模型嘲 、 尺寸效应模型 6 1 、 等效裂缝模型阴 等。 以上的研究都是以普通混凝土为研究对象的， 而实际大坝 混凝土大多采用最大骨料粒径为 1 5 0仃 n的全级配混凝土。 大 坝混凝土中粗骨料和水泥浆所占的密度与普通混凝土存在着 较大的差异， 而骨料和水泥浆以及它们之间的界面的力学性质 决定了混凝土的力学性能 8 】 ， 这样普通混凝土与大坝混凝土的 性能就会存在较大差异。 早在 2 O世纪 7 0年代 ， 在国外如美国， 已经规定大坝混凝土应采用全级配大尺寸试件的试验数据。 近 年来， 我国也开展了全级配混凝土的断裂性能研究0 徐世娘等提 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 2 - 0 9 基金项目：国家自然科学基金项 目( 5 1 1 0 9 0 2 6 ) 20 出了双 K断裂模型 ， 并已应用于我国电力行业标准 水工混凝 土断裂试验规程 ( 以下简称 规程 ) 和三峡大坝等工程的断 裂研究。 在此基础上， 赵国藩等对大骨料全级配混凝土的双 断 裂参数进行了试验研究 。 吴智敏1 2 】 等研究了骨料最大粒径对 混凝土双K 断裂参数的影响。 徐世娘【l 3 等通过三点弯曲梁和楔 入劈拉试件研究了各种级配大坝混凝土的双K断裂参数。 然而现阶段对大坝混凝土断裂特性的研究仍不够充分。 对 于全级配大坝混凝土， 并没有建立专门的软化本构关系曲线， 而是沿用普通混凝土软化曲线的经验参数进行断裂计算， 这对 大坝混凝土是否适用尚未可知。 另外 ， 全级配混凝土的最大骨 料粒径 d 一达 t 5 0mm， 由于试件的厚度须达到 3倍骨料粒径， 所以须采用非标准的大尺寸楔入劈拉试件， 而 规程 只给出了 标准尺寸( 2 0 0 mmx 2 0 0 m mx 2 0 0 mm) 楔入劈拉试件的断裂韧 度计算公式。 基于上述问题， 采用大坝现场拌和楼出料， 浇筑全级配混 凝土大尺寸楔人劈拉试件进行了断裂试验， 并结合有限元软 件 ， 精确计算了各试件的双 断裂参数 。 以起裂断裂韧度 为参量 ， 基于虚拟裂缝黏聚力理论和混凝土软化曲线， 计算出 失稳断裂韧度黜 in i 的解析值并与上述精确值进行比较。 此外 ， 通 过尝试改善楔入劈拉试件的支承条件来减小竖向力引起的附 加弯矩对断裂韧度计算的影响 ， 进而分析 规程 规定的方法 用于大尺寸非标准楔入劈拉试件时的误差 ， 对 规程 进行补 充和完善。 游外加剂厂生产的引气剂 Z B 1 G， 掺量分别为 0 6 和 0 0 1 3 。 混凝土设计强度等级为 C 4 0 。 同时制作了一批 4 5 0 mmx 4 5 0 mmx 4 5 0 m i l l 的立方体伴随 试块 ， 用于全级配混凝土的抗压强度 、 劈拉强度和抗压弹性模 量试验 ， 抗压强度试验时对试块进行减磨处理 ， 得到的全级配 混凝土材料基本特性参数见表 2 。 1 1 试 件制 作 采用最大骨料粒径为 1 5 0 l T l I Y l 的全级配混凝土楔入劈拉试 件进行了断裂试验， 试件龄期为 2 8 d ， 试件尺寸 L x Hx t = O 8 mx 0 8 3 mx 0 4 5 m， 初始缝高比a o 9 =- 0 4 ， 采用预埋 4 5 n l r I l 厚钢板 的方式形成预制裂缝。 试件及试验装置如图 1所示。 为真实反 映大坝混凝土的材料性能， 本试验所用的混凝土均为大坝现场 拌和楼出料， 混凝土配合比设计见表 1 。 水泥为云南昭通水泥有 限公司生产的华新 P MH4 2 5级水泥， 水胶 比0 4 l 。 粉煤灰采用 重庆华能珞璜电厂生产的 I 级粉煤灰 ， 掺量为 3 5 。 采用江苏 博特新材料有限公司生产的缓凝高效减水剂 J M I I C和浙江龙 ( a ) 楔入劈拉试件尺寸示意图 ( b ) 试件及试验装置实物图 图 1 楔入劈拉试件及试验装置 表 1 全级 配混凝土配合 比 1 2 试验装置及测点布置 试验装置主要包括加载装置、 传力装置、 测量装置及采集 设备等。 试验在 1 0 0 0 0 k N微机控制液压伺服试验机上进行 ， 通 过楔形加载块( 0 =- 1 5 。 ) 和传力板将较小的竖向外荷载 P转化成 较大的水平劈拉力 P h ， 力的传递路径如图 2所示， 其转化关系 P P t a n 0 图 2 楔形块传力示意图 采用1 0 t 荷载传感器测定竖向外荷载 P ， YY J系列夹式引 伸仪测量裂缝口张开位移 C MO D， 在每个试件正反两面的预制 裂缝尖端以预制裂缝及其延长线为中轴线， 在其左右两侧布置 电阻应变片， 如图 1 ( a ) 所示 ， 来观测裂缝的起裂并确定起裂荷 载 。 由I MC数据采集系统记录全部数据。 支座采用双线支承形式， 支座反力与外荷载的竖向分力共 线。 试件 自重约为外荷载竖向分力的2 5 。 当按 规程 规定， 双 支座位于试件 1 4点处时， 外载竖向分力对裂尖应力的影响约为 水平力的 5 6 1 4 】 ， 调整支座位置后， 竖向力( 即自重) 附加力 矩的影响降至 1 5 以内， 基本满足计算精度要求。 2试 验 结 果 2 1 应变回缩法测起裂荷载 确定起裂点从而确定起裂荷载 是计算混凝土起裂断裂韧 度黜妁关键。 本试验采用应变回缩测定起裂荷载。 起裂前， 混凝土处 于弹陛变形阶段， 应变片所测得的荷载一 应变( P - e ) 关系为线性； 起 裂后混凝土的弹 垃 变能得到释放， P s曲线出现回滞。 图3 为一典 型的 P _ s曲线， 图中A点为应变达到最大时的转折点， 该转折点对 应的荷载即为起裂荷载 ， B点为峰值荷载 及对应的应变s B 。 至 鑫 挺 1 * 应 变 8 0 图 3 试件 WS 8 0 0 2裂缝尖端的 P - r 关系 曲线 2 2 荷载一 裂缝 口张开位移( P C M0 D) 曲线 试验测得各试件的P C MO D全曲线， 如图 4所示。 根据测得的P C MO D曲线可计算断裂能 G ， 计算公式为： G v = IV A ( 1 ) 式中： P C MOD曲线与 轴所包围的面积， 由O R I G I N软 件求积分得到； 韧带面积 ， A = ( 嘞) ； 预制裂缝长度。 由式( 1 ) 可知， 断裂能的大小主要依赖于 P - C MO D曲线与 轴的包络面积， 因此 P - C MO D曲线需要得到稳定平缓的下降段。 试验中， 取荷载值降到最大荷载的5 作为试验结束的标志。 试 验结果见表 3 。 21 ( )= C M O D (1 - x- )o + (1 0 8 4 9 ) 一 ( f ) (7 ) 根据试验测得的各试件的E、 、 C MO D 、 G ， 结合式( 3 ) ( 7 ) ， 用 Ma t l a b软件求解 ， 即可求得黏聚力断裂韧度K c ， 再 由 式( 2 ) ， 可得到失稳断裂韧度的解析解K ， 计算结果见表 3 。 由表 3可知， 失稳断裂韧度的解析解较有限元解偏大， 约 为精确值的 1 4 倍。 其中的原因， 一是由于全级配混凝土自身脆 性较强， 且试验过程中试验机刚度难以满足要求， 难以得到真 实的 P C MOD全曲线下降段 ， 导致 G 试验值偏大； 另一方面 ， 由于计算时采用普通混凝土的双线性软化曲线经验参数， 得到 的全级配混凝土黏聚力断裂韧度聪碥 大， 导致K 舞 。 大。 3 3 经验 公 式解 对于混凝土断裂参数的计算 ， 我国电力行业标准 水工混凝 土断裂试验规程 给出了标准尺寸楔人劈拉试件( 日 = 2 o 0 m mx 2 3 0 mr n x 2 0 0 mm) 的应力强度因子公式 ： K ： 曼 二 - 二 ： ( 8 ) Tr 一 一 0 ， 一 、 ( 1 - ) 当计算起裂断裂韧度 时， ， V = a o h ； 计算失稳断裂韧 度K 时 ， P 眦 ， V = a d h 。 但考虑到全级配混凝土的最大骨料粒径达 1 5 0 rai n， 须 采用大尺寸的非标准试件， 为讨论 规程 方法对于大尺寸试 件是否适用 ， 表 3将由 规程 方法得到的公式解与有限元解 进行 了比较 ， 结果表明， 的误差在 2 2 以内， 础 的误差在 1 6 1) 2 内 。 4结论 ( 1 ) 全级配大坝混凝土的脆性较大 ， 尸 iI1 i 0 6 8 0 8 5 ， 试 验中难以得到稳定的C MO D曲线下降段。 ( 2 ) 在预制裂缝尖端布置应变片 ， 利用裂缝扩展时的裂尖 附近区域的应力释放， 反应为 P _ s曲线上应变回缩 ， 可以精确 而有效测定起 裂荷 载 ， 。 ( 3 ) 采用基于虚拟裂缝黏聚力理论和普通混凝土双线性软 化曲线的解析方法计算全级配混凝土的断裂参数时， 得到的断 裂韧度值偏大， 所以普通混凝土软化曲线的经验参数对全级配 混凝土并不适用， 需进一步的研究来建立全级配混凝土的软化 本构关系模型。 ( 4 ) 通过改善楔人劈拉试件的支承条件 ， 使支座反力与外 荷载竖向分力共线 ， 可减小竖向力附加弯矩对裂尖应力的影响， 较为真实地测定材料的断裂韧度。 在此基础上， 规程 给出的 标准楔人劈拉试件应力强度因子公式也可用于计算大尺寸非 标准试件 ， 求得的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的误差分别在 2 2 和 1 6 以内。 上接第 1 9页 6 】K A E L B L E D H， S MI T H T A n a l y s i s o f c u ri n g k i n e t i c s i n p o l y me r c o rn p o s i t e s J J o u r n a l o f P o l y m e r S c i e n c e ： P o l y me r L e t t e r s E d i t i o n ， 1 9 7 3 ， 1 1 ( 8 ) ： 5 3 3 5 4 0 7 7 F A R KA S A， S T R OH M P F J A p p 1 P o l y m S e i ， 1 9 6 8 ， 1 2 ( 1 ) ： 1 5 9 1 6 8 8 8 杨衍绪， 邓光琪 ， 庞瑶华， 等应用 F r r l R研究环氧树脂的固化过程 E 5 1 2 ， 4 E M I 体系的固化反应特性及动力学 J 1 西安交通大学学报 ， 1 9 8 9 ， 2 3 ( 5 ) ： 6 5 7 0 【 9 R I C C I A RD I F ， R OMA N C HI C K W A， J O U L L I I M M Me c h a n i s m 0 f 参考文献 ： 1 K AP L AN M F C r a c k p r o p a g a t i o n a n d t h e fr a c t u r e o f c o n c r e t e J J 0 u | _ n al o f A me ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 6 1 ， 5 8 ( 1 1 ) ： 5 9 1 6 1 0 2 】HI L L E R B O RG A， MO D E E R M， P E T E R S S O N P E A n aly s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o wt h i n C o n c r e t e b y me a ns o f f r a c t u r e me c h a n i c s a n d f i n i t e e l e me n t s J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 6 ( 6 ) ： 7 7 3 - 7 8 2 3 3 P E T E R S S O N P EC r a c k g r o w t h a n d d e v e l o p m e n t o f f r a c t u r e z o n e s i n p l a i n c o n c r e t e a n d s i mi l a r ma t e ri a l s R D i v i s i o n o f B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， Lu n d I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， Re p o r t T VB M 一1 0 0 6， S we d e n， 1 9 81 4 R E I NH A RD T H W， C O R NE L I S S E N H A W， HO R D HK D A T e n s i l e t e s t s and f a i l u r e a n al y s i s o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r - i n g ， 1 9 8 6 ， 1 1 2 ( 1 1 ) ： 2 4 6 2 2 4 7 7 5 5 J E NG Y S ， S HA H S P T w o p a r a me t e r f r a c t u r e mo d e l fo r c o n c r e t e J J o u r n al o fE n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 1 9 8 5 ， 1 1 1 ( 1 O ) ： 1 2 2 7 1 2 4 1 【 6 B AZ A N T Z P ， K A Z E MI M T D e t e r mi n a t i o n o f f r a c t u r e e n e r g y ， p r o c e s s z o ne l e n 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 f e c t ， wi t h a p p l i a n c e t o r o c k and c o n c r e t e J I n t e r n a t i o n a l J o u rn al o f F r a c t u r e ， 1 9 9 0 ， 4 4 ( 2 ) ： 1 1 1 1 3】 7 K AR I HA L O 0 B L， N AL L A T H AMB I P E f f e c t i v e c r a c k m o d e l fo r t h e d e - t e r m i n a t i o n o f fr a c t u r e t o u g h I 8 8 ( x i c ) of c o n c r e t e J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h ani c s ， 1 9 9 0 ， 3 5 ( 4 5 ) ： 6 3 7 6 4 5 【 8 8 唐欣薇， 张楚汉 基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟 J 清华大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 3 ) ： 3 4 8 3 5 2 【 9 】X U S h i l ang ， R E I N H AR D T H W D e t e rmi n a t i o n o f d o u b l e - K c ri t e ri o n for c r a c k p r o p a g a t i o n i n q ua s i - b rit t l e f r a c t u r e ， Pa r t I ， P a r t I I an d Pa rt I I I I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f F r a c t u r e ， 1 9 9 9 ， 9 8 ( 2 ) ： 1 1 1 - 1 9 3 1 0 D L 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 1 1 赵国藩， 徐世煨， 壬凤翼 大骨料全级配混凝土断裂韧度和断裂能研 究 J 】 工程力学， 1 9 9 6 ( 增刊) ： 5 1 6 2 1 2 吴智敏， 徐世娘， 刘红艳， 等骨料最大粒径对混凝土双 K断裂参数 的影响 J 大连理工大学学报， 2 0 0 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 3 5 8 3 6 1 1 3 徐世煨， 周厚贵， 高洪波， 等 各种级配大坝混凝土双 K断裂参数试 验研究 J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 1 1 ) ： 5 0 6 2 1 4 黄闽莉， 王向东， 曹亮 支承形式对楔入劈拉试件断裂韧度 K I C的影 响 J 1 河海大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 3 5 4 3 9 1 5 】 中国航空研究院 应力强度因子手册 M 】 E 京： 科学出版社， 1 9 8 1 作者简介 ： 联系地址 联系电话 肖魁( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土断裂力学 研究。 大连市甘井子区凌工路 2 号 大连理工大学建设工程学部 3 号试验楼 5 0 1 室( 1 1 6 0 2 4 ) 1 5 1 4 0 5 7 5 6 6 0 i mi d a z o l e c a t aly s i s i n t h e c u ri n g o f e p o x y r e s i n s J J o u rna l o f P o l y m e r S c i e n c e ， 1 9 8 3 ， 5 ( 2 1 ) ： 1 4 7 5 1 4 8 1 作者 简介 联系地址 联 系电话 梅庭玉( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 讲师， 主要从事土木工程中混凝土材 料的力学研究。 江西省南昌市青云谱区抚河南路 1 9 9 号( 3 3 0 0 1 3 ) 1 3 7 67 1 73 3 23 2 3