高温作用对混凝土破坏准则的影响.pdf

第 5卷第 5期 2 0 0 8年 l 0月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI I ， AY S CI E NCE AND EN GI NE E RI NG Vo I 5 N O 5 Oc t 2 o o 8 高温作用对混凝土破坏准则的影响 卫军 一 ， 周锡武 ， 潘峤 ， 董荣珍 ， 王路平 ( 1 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 华中科技 大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 借助连续介质力学理论 ， 将损伤变量 D引入 强度理论， 从理论上建立 了混凝土材料因高温作用的损伤破 坏准则， 以 反映材料内部状态的改变对混凝土材料强度的影响。计算值与文献试验值的对比结果证实了所提 出的损伤破坏准则的合 理性 ， 同时也表 明双轴强度极 限线是逐 渐萎缩的。 关键词： 混凝土； 破坏准则； 双剪强度理论； 连续介质力学 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 1 8 0 3 F a i l u r e c r i t e r i o n o f c o n c r e t e u n d e r h i g h t e mp e r a t u r e WE I J u n ， 一 ， Z H O U X i W U 2 ， P A N Q i a o 2 ， D O N G R o n g - z h e n ， WA NG L u p i n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i te c t u r a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2 Sch ool o f C i v i l E n g a n eeri n g and M e c h a n i c s ， H u a z h o n g U n i v e rs i t y o f Sci e n c e and T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： D a ma g e D w a s i n t r o d u c e d i n t o c o n c r e t e s t r e n t h t h e o r y a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry o f c o n t i n u u m，a d a ma g e f a i l - u r e c rit e rio n wa s e s t a b l i s h e d f o r c o n c r e t e u n d e r h i 【g h t e mp e r a t u r e thr o u g h the o r e t i c a l a n aly s i s T h e d a ma g e f a i l u re c r i t e fio n p res e n t e d h e re C an i n d i c a t e t h e i n flu e n c e o fd a ma g e e v o l u t i o n o n the f a i l u r e s u r f a c e o f c o n c ret eT h r o u g h the c o n- p a r i s o n b e t we e n t h e the o ret i c al d a t a an d t e s t i n g d a t a f r o m s o me ref e ren c e s，t h e res u l t s s h o w tha t the f a i l u re s u r f a c e o f t h e b i a x i a l c o n c r e t e s t ren g t h the o ry g r a d u all y s h r i n k s wi t h the i n c r e a s e o f d a ma g e Ke y wo r d s ： c o n c ret e ；f a i l u re c rit e rio n；t wi n s h e a r s t ren g t h theory ；me c h a n i c s o f c o n t i n u o u s me d i u m 目前 ， 建筑火灾已成为建筑结构的主要灾害之 一 。混凝土结构构件是主要的建筑结构形式 ， 应用 非常广泛 ，因此，混凝 土不但要满足常温下 的工 作性能指标 ，还要考虑在高温下 及高温后混凝土 的性能及强度衰减的情况。高温下及高温后混凝 土结构的性能劣化主要是 由材料遭受温度损伤所 致， 尽管国内外进行了大量的结构高温试验和一些 计算机仿真计算 - 一1 ， 但尚未出现普遍认可的损伤 机理和损伤模型。本文借助连续介质力学理论 ， 将 反映材料内部状态改变的损伤引入强度理论 ， 并对 混凝土的破坏准则进行分析 ， 以超声波声速构筑损 伤变量 ， 建立混凝土处于高温及高温后以超声波速 表征混凝土内部劣化的损伤强度准则 。 1 损伤破坏准则的构建 1 1 加权双剪强度理论 混凝土强度理论中最基本最重要的也是应用 最广泛的是常温静载下的各 向同性强度理论。考 虑到混凝土的特点 ， 采用一种新的合理的强度准则 加权双剪强度理论。它是在统一强度理论基 础上进行的改进( 中间主切应力作用系数 b： 0 5 ) ， 是代替 D r u c k e r P r a g e r 准则的一个较合理的 新的强度准则 。此理论的优点为 ： 它考虑了混凝 土的静水应力效应， 拉压强度差效应 ， 中间主应力 效应， 并且具有清晰的物理概念和简单的数学表达 式。该破坏准则实际上也可 以看成是角隅模型的 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 4一l l 基金项 目： 国家自然科学基金资助项 目( 5 0 5 7 8 0 6 8 ) 作者简介 ： 卫军( 1 9 5 7一) ， 男， 河南郑州人， 教授 ， 博士生导师 ， 从事混凝 土结构耐久性研究 第 5 期 卫 军， 等 ： 高温作用对混凝土破坏准则的影响 l 9 一 个线性化逼近。 1 2 混凝土的损伤破坏准则 将混凝土的损伤 D引入加权双剪强度理论来 推出混凝土破坏曲面方程。 假设混凝土受非力学因 素作用损伤后抗拉强度可以表述为受损前( 或未损 部位) 抗拉强度与损伤 D的函数 ： = ( D， ) 。 ( 1 ) 同样， 混凝土受非力学因素作用损伤后抗压强 度可以表述为受损前 ( 或未损部位) 抗压强度 与 损伤 D的函数： f Yc= ( D， ) 。 ( 2 ) 把式( 1 ) 和( 2 ) 引入加权双剪双参数强度理论 式可以推出非力学因素作用下混凝土在主应力空 间的损伤破坏准则 ： ， ： 。一等 ( + ，) ： ( 。 ， ) ， ： 时 ； = ( 。 + 2 ) 一 a 3 = ( D ， ) ， 时； a。 ： 。 ( 3 ) 若 混 凝 土受 非力 学 因素作 用 损伤 后 双 轴等 压 强度可以表述为受损前( 或未损部位) 双轴抗压强 度 与损伤 D的函数 ： = ( D， 厶 ) ， ( 4 ) 把式( 1 ) ， ( 2 )和( 4 )引入混凝土加权双剪三参数强 度理论式 ， 可以推出非力学 因素作用下混凝土在主 应力空间的基于加权双剪三参数强度理论 的损伤 破坏准则 ( 主切应力影响系数 b=0 5 ) 。 F ： ( 2 a 3) + 等 ， 当 2 ( l + 3 ) +告( l 一 3 ) 时。 ( 5 ) ： ( 。 + 仃 ：) 一 + 譬 ，。 ： ， 当 2 1 ( l + 3 )+ ( 盯 l 一 3 ) 时。 其中： ： 竺 。言 1 ； 。 。 ： 耥2 1 a D上) ； P 一 _ D ( + a D ) “ 一 。 ( + = = ； - D ： 。 ( 6 )D “ 一 ( ， ) 。 双剪三参数强度理论与双剪双参数强度理论 的极限面相比， 在双轴拉伸和三轴拉伸区有所减 少 ， 而在压缩区则有较大扩展 ， 能更好地发挥材料 的强度潜力 ， 更加精确。 1 3损伤状态描述 对于劣化混凝土 ， 由于其 内部结构的复杂性 ， 更适合以宏观可测试指标来表示损伤变量 ， 例如通 过采用动弹性模量 、 弹性模量、 超声波声速、 声发射 信号能量 、 光纤光栅等捕捉或表征损伤 8 - 9 。 2 试验验证及分析 覃丽坤【 9 _ 通过普通混凝土在温度作用下双轴 抗压强度的实验， 分别测得在 2 0 ， 2 0 0 ， 3 0 0 ， 5 0 0和 6 0 0 o C时普通混凝土的双轴抗压强度 l ， 2 和 ， 由于双轴抗压强度实验在水平方 向施压 ， 所 以， ：0 。 本文根据基于双剪三参数强度理论的混凝土 损伤破坏准则式 ( 5 ) ， 将破坏准则 ( 5 )整理后得 到 求解 ， 方程式 ， 利用 和 ： 试验值反推 ， 根据 计算值与实测值的对比结果来验证损伤强度理 论 。 不同温度时混凝土强度计算结果与实测结果如 表 1 所示。 从表 1 可见 ， 理论预见结果与试验结果的 一 致性较好。 表 I 文献 9 中不同温度下双轴抗压轴试验数据与 本文破坏准则计算结果比较 Ta b l e 1 C o mp a r i s o n b e t w e e n t h e t e s t i n g d a t a u n d e r b i a x i al c o m p r e s s i o n e x p e ri m e n t s f r o m R e f 9 a n d t h e c a l c u l a t i n g d a t a f r o m t h e f a i l u r e c ri t e rio n p r o p o s e d i n t h i s p a p e r u n d e r d i ff e r e n t t e mp e r a t ure s 温 胁 P a 参数 2 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年 l 0 月 图 1 所示为双轴应力情况下极限线 的变化规 律。从图 1 可以看出， 随着温度的递增 ， 混凝土双 轴应力极限线逐渐向原点方向靠拢 ， 表明其双轴强 度极限线是逐渐萎缩的。 0 2 - 4 0 - 3 0 2 0 一l 0 O 0 1 O - 2 0 -3 0 4 0 - 5 0 试验值随温度变化 试验值随温度变化 0 1 O -20 - 3 0 一 加 一 5 O 3 ( a ) 一试验值 ； ( b ) 一计算值 l一2 0o C； 22 0 0 o C； 33 0 0 ； 45 0 0 ； 56 0 0 图 l 双轴应 力情况下极 限线随损伤的变化 F i g 1 V a r i a t i o n o f u l ti m a t e d a ma g e c u r v e u n d e r b i a x i a l s t r e s s 3 结论 1 ) 利用加权的双剪混凝土多轴强度准则， 以无 损检测量构筑损伤变量 ， 推导出在环境作用下混凝 土强度逐渐衰减下的混凝土多轴强度准则， 并经文 献验证。 2 ) 损伤强度准则具有清晰的理论思想， 通过改 进可推广用于描述不同恶劣环境因素下混凝土的 强度问题。 3 ) 随着温度的递增 ， 混凝土双轴应力极限线逐 渐向原点方向靠拢 ， 表明其双轴强度极限线是逐渐 萎缩 的 。 4 ) 此损伤破坏准则适用于混凝土渐进破坏 的 非破损阶段( 阶段 I) 。对于渐进破坏的破损阶段 ( 阶段 1 1 ) 的强度准则还需要进行进一步研究。 参考文献 ： 1 徐或， 徐志胜， 朱玛 高温作用后混凝土强度与变 形试验研究 J 长沙铁道学院学报， 2 0 0 0 ， 1 8 ( 2 ) ： 1 3 一 l 6 X U Y u ， X U Z h i s h e n g ， Z HU Ma E x p e r i me n t i n v e s ti g a t i o n o f s t r e ng t h a n d r e f o r ma ti o n o f c o n c r e t e a f t e r h J g h t e mpe r a t u r e J C h a s h a R a i l w a y U n i v e r s i t y ， 2 0 0 0 ， 1 8 ( 2 ) ： 1 3 1 6 2 L u e e i o n i B M，F i n g u e r o a M I ，D a n n e s i R E T h e r m o m e e h a n i e mo d e l f o r c o n c r e t e e x p o s e d t o e l e v a t e d t e m pe r a t u r e J J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ： 7 2 9 7 4 2 3 T e n e h e v R， P u me l l P A n a p p l i c a t i o n o f a d a m a g e e o n s t i t u t i v e mo d e l t o c o n c r e t e a t h i g h t e mpe r a t u r e a n d p r e d i c t i o n o f s p a l l i n g J I n t e r n a t i o n a l J o u rn a l o f S o l i d s and S t r u c t u r e s ， 2 0 0 5， 4 2： 6 5 5 06 5 65 4 L I L o n g - y u an，P u r k i s s J S t r e s s s t r a i n c o n s t i t u ti v e e q u a t i o n s o f c o n c re t e mat e ri a l a t e l e v a t e d t e m per a t u r e s J F i r e S a f e t y J o u r n a l ，2 0 0 5， 4 0： 6 6 96 8 6 5 J U N C a i ，B u r g e s s I ，P l a n k R A g e n e r a l i z e d s t eel r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m - c o l u mn e l e me n t mode l for fi re c o n c h t i o n s J J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ： 8 1 7 2 8 3 3 6 G a w i n D， P e s a v e n t o F ， S c h r e fl e r B A M o d e l i n g o f h y d r o t h e r m a l b e h a v i o r o f c o n c re t e a t h i gh t e m per a t u r e w i t h t h e n n o c h e m i c al and m e c h a n i c a l mat e ri al d e g r a d a ti o n J C o m p u t e r Me t h ods i n A p p l i e d M e c h a n i c s and E n gi n eeri n g ， 2 0 0 3 ， 1 9 2 ： 1 7 3 1 1 7 7 1 7 俞茂宏 混凝土强度理论及其应用 M 北京： 高等教 育出版社， 2 0 0 2 Y U Ma o - h o n g C o n c r e t e s t r e n g t h t h e o r y a n d i t s a p p l i c a t i o ns M B e i j i n g ： H i ghe r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 2 8 A k h r a s N M D e t ecti ng f r e e z i n g and th a w i n g d a m a g e i n c o n c re t e u s i ng s i g n al e n e r g y 【 J J C e m e n t and C o n c ret e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 9 ( 9 ) ： 1 2 7 5 1 2 8 O 9 罗听 损伤演变对混凝土强度的影响 D 武汉 ： 华中 科技大学， 2 0 0 6 L U O X i n I n fl u e n c e of d an k a g e e v o l u t i o n o n c o n c ret e s t ren g t h D j Wu h an： H u a z h o n g U n i v e r s i ty of S c i e n c e and T ech n o l o - g Y， 2 0 0 6 1 0 覃丽坤 高温及冻融循环后混凝土多轴强度和变形试 验研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 3 Q I N L i k u n S t u d y o n t h e s t ren g t h and d e f o r m a t i o n o f c o n - c ret e u n d e r mu h i a x i al s t r e s s a f t e r h i g h t e mper a t u r e o r f r e e z e t h a w c y c l i ng【 D J D a l i a n ： D al i an U ni v e r s i ty o f T e c h n o l o g y， 2 0 0 3