围压荷载下混凝土静动力强度的细观力学模型

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1、水利学报年月第卷第期文章编号围压荷载下混凝土静动力强度的细观力学模型郑丹李庆斌重庆交通大学河海学院重庆清华大学水利水电工程系北京摘要本文从混凝土细观机理出发采用翼型裂纹模型分析了围压荷载下混凝土内微裂纹扩展弯折和相互作用直至材料破坏的过程采用伪面力法计算了考虑相互作用的弯折扩展裂纹应力强度因子并通过一些简化得到了显式的表达式在假定混凝土的断裂韧度不随加载速率变化的前提下分析和计算了不同围压荷载下的混凝土静动力强度并与试验结果进行比较结果表明本文提出的模型能较好地反映围压荷载下混凝土的静动力特性和破坏机理关键词

2、混凝土围压动力强度微裂纹中图分类号文献标识码研究背景实际工程中的混凝土结构都不可避免地会承受动力荷载且大多都处于明显的多轴应力状态而混凝土的变形和强度等力学特性与其应力状态密切相关因此仅靠各种单轴强度和单轴应力应变关系己远远解决不了工程实际问题只有建立正确合理的混凝土材料多轴动力强度准则和本构关系才能对混凝土结构做出正确的安全动力评价对混凝土多轴强度的试验研究在世纪初已经开始但直到年代才在一些国家普遍开展起来并把多轴混凝土强度的研究成果反映在相应规范中如前苏联美国日本和英国等运用于实际工程我国对水工混凝土多轴

3、强度的研究始于年代初但到目前为止大坝混凝土的容许应力尚未考虑多轴受力状态下的强度而笼统地估算在混凝土单轴强度与其应力比值的安全系数之中已有学者对混凝土在围压下的动力性能进行了研究等完成了强度为的高强混凝土圆柱形试件三轴快速加载试验围压范围从试验结果表明应变率小于时加载速率对混凝土的性能几乎没有影响最大围压下当应变率为时混凝土的强度比静态时提高宋玉普等完成了混凝土在定侧压和定侧压比下的混凝土多轴动力试验并给出了同时考虑侧压力和加载速率的混凝土劈拉强度统一破坏准则试验表明加载速率和围压对混凝土的动强度都有明显的提

4、高阎东明等进行了一向定侧压的混凝土动力抗压试验结果表明应变速率提高时不同侧向压力下混凝土的动强度均有不同程度的提高侧压较大时混凝土的强度对应变率敏感性较低在较高应变速率下侧向压力对混凝土强度的增强作用有所减弱但是这些研究大都是宏观试验数据的拟合不能反映围压荷载下混凝土动力强度增强的机理本文从混凝土内部细观结构出发分析混凝土内微裂纹在外部荷载作用下扩展并直至破坏的过程研究围压荷载下混凝土的静动力强度随加载速率和围压变化的关系收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目重庆市教委自然科学基金资助项目作者简介郑丹男重庆

5、开县人博士主要从事混凝土材料力学性能的研究围压荷载下混凝土的静力强度混凝土多轴荷载下的破坏形式大量的混凝土多轴试验结果表明混凝土的破坏可以分为拉断破坏柱状压坏斜剪破坏和挤压流动它们的破坏特征以及细观机理分别如下拉断破坏这类破坏主要是由于微裂纹受外部拉应力作用发生型断裂破坏面与外荷载方向垂直柱状破坏这类破坏主要是由于微裂纹受外部压应力作用发生型断裂破坏面与外荷载方向平行斜剪破坏这类破坏只发生在三轴受压状态且轴向围压较小时此时斜裂缝面没有间隙但有一定的破裂宽度并有剪切错动变形和压碾破碎的痕迹与混凝土的受拉破坏裂缝

6、完全不同挤压流动这种破坏发生在三轴压缩状态且围压较大时此时混凝土内的微裂纹受到围压的作用不能继续扩展不会形成宏观裂缝混凝土在不断增大的三轴压应力作用下发生挤压流动和塑性变形直至破坏混凝土试件的破坏形态主要取决于三向应力的比例同时又影响着混凝土的强度各种形态的应力比例范围可以通过试验加以确定图为文献给出的混凝土多轴强度与围压的关系从图中可以看出随着围压的增大混凝土的多轴强度也随之增大在围压较小时混凝土的多轴强度随围压增加得较快在围压较大时强度的增加和围压的增加基本呈线性关系图混凝土多轴强度和围压关系对于混凝土在

7、围压荷载下强度的增加现有的研究主要是根据试验结果拟合出材料破坏面或者用塑性力学方法结合试验数据得出材料的破坏准则如等提出的经验公式式中为混凝土的单轴抗压强度又如等提出的经验公式这些破坏准则的具体描述可参见文献但是由于这些方法都是宏观唯像地分析混凝土材料的破坏不能反应混凝土材料的细观特征因此也不能够准确描述和解释混凝土材料破坏时的试验现象和物理本质本文在等脆性材料压缩破坏模型基础上采用细观力学的方法分析和确定混凝土在各种围压下的破坏形态以及多轴强度并由此得出混凝土在围压荷载下的静动力强度围压荷载下混凝土压缩破坏

8、的模型通常可用滑移裂纹模型来描述脆性材料在受压缩荷载下的细观力学行为其可概述如下假设混凝土材料由均匀的水泥砂浆和骨料组成所有初始的币型微裂纹分布在砂浆和骨料的界面上当材料承受轴向压缩荷载和围压荷载时裂纹表面产生剪应力和压应力图剪应力有使裂纹面相互滑移的趋势由于裂纹面是闭合的压应力产生的摩擦力阻碍了裂纹面的相互滑移因此实际作用在裂纹面上的有效滑动应力为式中为界面的摩擦系数图混凝土中裂纹扩展过程当外荷载