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《混凝土_型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、水 利 学 报2007年12月SHUILIXUEBAO第38卷 第12期文章编号:055929350(2007)1221453207混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟1121吴智敏,董 伟,刘 康,杨树桐(11大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024;21香港城市大学建筑系,香港九龙,达之路)摘要:本文将起裂断裂韧度作为材料参数,提出了混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则,即当外荷载引起的裂缝尖端应力强度因子与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子的差值达到起裂断裂韧度时,裂缝开始扩展。在此基础,上采用
2、有限元法对混凝土Ⅰ型裂缝的断裂过程进行了数值模拟,分别计算了不同尺寸混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移全曲线、临界裂缝亚临界扩展量、失稳断裂韧度并与应用DIANA软件的数值分析结果及试验结果进行了比较,吻合良好。研究还表明,只要给出混凝土的弹性模量、抗拉强度和起裂断裂韧度,即可用本文提出的方法计算混凝土失稳断裂韧度及裂缝扩展全过程。关键词:混凝土;有限元;裂缝扩展准则;数值模拟;起裂断裂韧度;失稳断裂韧度中图分类号:TU37文献标识码:A1 研究背景在混凝土断裂性能的研究中,为了便于解析分析,许多学者提出了基于线弹性断裂力学的以
3、断裂韧[1][2][3]度为参量的各种断裂模型,如两参数断裂模型、等效裂缝模型、尺寸效应模型等,其中大部分模型SunS都以等效断裂韧度KIC(亦即失稳断裂韧度KIC)对混凝土的裂缝临界状态进行判定。但KIC仅能反映混凝土裂缝失稳扩展的临界状态,实际上混凝土作为一种准脆性材料,其裂缝扩展存在着裂缝的起裂、稳定扩展和失稳扩展3个阶段。因此混凝土裂缝的起裂与失稳状态同样非常重要。鉴于此,学者们对混[4,5]凝土开裂及开裂后裂缝亚临界扩展进行了研究。徐世 等提出了双K断裂准则以描述混凝土裂缝iniun的不同状态,该准则应用起裂断裂韧度
4、KIC和失稳断裂韧度KIC来分别描述裂缝的起裂和失稳两个状[6]态。赵艳华和徐世 在此基础上提出了双G断裂准则,以此作为对双K断裂准则的补充。吴智敏[7～10]等采用光弹贴片与解析的方法研究了这两个参数的尺寸效应。然而,以上模型仅能描述混凝土裂缝的起裂或失稳状态,不能描述裂缝失稳后的扩展过程,从而无[11][12]法得到裂缝扩展的全过程。为此,学者们采用分布裂缝模型和离散断裂模型,并与黏聚力模型相[13,14]结合,对混凝土断裂过程进行模拟。该方法假设在混凝土裂缝扩展过程中,裂缝尖端圆形区域内的主拉应力达到了混凝土的抗拉强度,
5、裂缝即开始扩展。但是,混凝土作为一种准脆性材料,其裂缝尖端存在着一定的应力集中,因此应用传统的强度理论来描述尖端位置裂缝的扩展不够准确。针对上述存在的问题,本文提出一种混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则,认为当外力引起的裂缝尖端应力强ini度因子KIP与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子KσI的差值达到起裂断裂韧度KIC时,裂缝即开始扩展,应用该准则并借助通用有限元软件ANSYS对混凝土Ⅰ型裂缝的断裂过程进行数值模拟,计算不同尺寸混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移(P2CMOD)全曲线、临界裂缝亚临界扩展量和失稳断裂韧度,收稿日期:20072
6、03220基金项目:辽宁省教育厅资助项目作者简介:吴智敏(1963-),男,浙江仙居人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学和混凝土结构加固理论研究。E2mail:zmwu@dlut.edu.cn—1453—并将计算结果与其他数值分析结果和试验结果进行比较。2 混凝土裂缝扩展准则[4,5]211 裂缝扩展准则的提出 根据双K断裂准则,整个断裂过程可分为裂缝起裂、稳定扩展、失稳扩[15]展三个阶段。由于混凝土裂缝失稳扩展前存在着主裂缝的稳定扩展阶段,根据虚拟裂缝模型,试件除了受到外荷载P作用外,还存在着阻止裂缝扩展的黏聚力σ(w)
7、的作用。根据叠加原理,可将图1(a)[16]的力分解为图1(b)及图1(c),它们的应力强度因子有如下关系:KI=KIP-KσI(1)式中:KIP为由集中荷载P引起的裂缝尖端应力强度因子;KσI为由闭合力σ(w)引起的裂缝尖端应力强度因子。图1KⅠ的计算模式如果将裂缝尖端向前扩展的过程再进一步细化,可将每一次裂缝的扩展都看成是裂缝尖端区域混凝土的一次起裂,则整个断裂过程就可以认为是由若干个起裂过ini程所组成,其中起裂韧度KIC就是判断这些起裂发生的标准,也是本文所提出的扩展准则。如图2所示,假设在每一步的裂缝扩展中,荷载都经
8、历从零增长达到该裂缝步的起裂荷载使裂缝扩展这一过程,则裂缝每一步扩展都将经历裂缝起裂和稳定扩展阶段。在下一步的裂缝扩展中荷载又经历这一过程。因此,裂缝的扩展ini准则表述如下:(1)当KIP-KσI
