混凝土黏聚开裂模型若干进展

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第 3卷第 3 5期20 0 5年 8月 2 5日

力学

进

展

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A DVAN CES I M ECH ANI S N C

混凝土黏聚开裂模型若干进展陈瑛 2姜弘道 I 1十乔丕忠 s冯新权，河海大学工程力学系，南京 2 0 9 108山东大学土木系，济南 2 0 6 5013 pa t e t o vi Eng n e i g T h De r m n f Ci l i e rn e Uni e s t k on, k on,OH 43 5 3 5, S v r iy ofA r A r 4 2— 90 U A,

山东省水利勘测设计院，济南 2 0 1 5 03

摘

要黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型，首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念，总结

了确定黏聚区的本构方程的各种方法，即直接单轴拉伸测试、 J积分方法、 R曲线法、柔度法和逆推法 .然后介 绍了黏聚模型在 I和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系 .最后对黏型聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结，指出了该模型存在的问题，并对其以后的发展方向提出了建议.

关键词混凝土，黏聚裂纹，尺寸效应，断裂，疲劳，断裂过程区

1引言描述混凝土的断裂模型很多，线弹性断裂力学有模型、修正的线弹性断裂力学模型如等效弹性裂缝模

型和双参数断裂模型.非线性断裂力学模型有黏聚裂缝模型、带状裂缝模型、桥联模型等.线弹性断裂力学模型不适于混凝土断裂问题的分析，按该模型测得的临界应力强度因子具有明显的尺寸效应 .多数混凝土材料中裂缝前部的断裂过程区尺寸与构件的尺寸是同一 (或相近)数量级，线弹性断裂力学模型只适于很大的结构，只能分析已存在裂缝的扩展行为，裂缝的形成过程无能为力 .对对形状复杂的试件或结构，弹性断裂力学模型需依赖线有限元方法 (奇异元 )能完成较准确的分析，并含才且随着裂缝的扩展，需要不断重划网格. 等效弹性裂缝模型和双参数模型均通过等效试件的某些行为来处理断裂过程区，计算上仍采用线弹性断裂力学

方法，有一定的方便性 .不能直接具但分析断裂过程区的性质，未彻底解决混凝土的非线性断裂行为问题.在双参数断裂模型中，假设在断裂过程区发展饱和时，荷载达最大值，此假设在一定程度上接近实际情况，但并不正确. 带状裂缝模型采用微裂缝带或损伤断裂带描述

最大粒径的 3倍.在大多数带状模型中，断裂过程区外的材料行为被假设为线弹性.断裂过程区 (即损伤带 )生的判据为裂缝尖端的主拉应力等于材料的抗产拉强度.断裂过程区的本构关系以软化曲线表示.带状裂缝模型强调了断裂过程区的损伤特性，故本构关系即软化曲线关系可据损伤力学分析获得.状裂缝带

模型将带宽视为材料参数，参数难以测量，缺乏直该接的实验结果支持，而某些研究显示在相同条件下， 带宽对分析结果无明显影响，这说明了带宽作为材料参数的可疑性.

黏聚裂缝模型可用来描述材料的应变软化特性 .最早的线状黏聚裂缝模型曾被用于各种脆性材料和韧性材料的分析中，如 B rn lt【 ae bat J曾用此模 型研究脆性材料的断裂行为，非线性区内的黏聚力来源于原子间的吸引力，吸引力的大小与裂缝张开

位移有关，黏聚区的尺寸为常量且比主裂缝的长度小； D g ae】出的线状黏聚裂缝模型用来描述 u d l[提 0韧性材料断裂行为，黏聚力来源于非线性区域 (塑性屈服区)内的应力，断裂过程区的闭合力连续不变. B rn lt aebat和 Du d l断裂过程区的分析局限在 ga e对已存在裂缝的尖端，闭合力产生的应力强度因子与外荷载产生的应力强度因子相平衡，消除了虚拟裂缝尖端的应力奇异性，味着材料的断裂韧度为零.意 在混凝土断裂行为的研究中，先提出线状黏聚最

断裂过程区.伤带宽 h为材料参数，一般为集料损且收稿日期： 0 40— 0修回日期： 0 50— 6 2 0- 3 3, 2 0’8 1t￣ mai:c n n F l he yi g￣s du e du.a c.

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裂缝模型的是 Hieb r lr og等人 l的虚拟裂纹模型， l 3 J 可对混凝土结构的断裂进行模拟.他将黏聚开裂模型视为本构关系，无论结构是否已存在裂缝，黏聚开裂

可发生在结构的任何位置，且应力是裂缝张开位移的函数，抓住了裂缝扩展的特点又不失简洁，是应用最

广的模型. H l r og未考虑裂缝尖端应力的奇异但 ieb r l性，裂缝扩展取决于裂缝尖端的应力的大小.他们在后来的研究工作中 L, 4进一步将虚拟裂纹模型推广到 J可处理混合型裂缝及剪切等情况.此外， P a a和 ln s Ei le等人 L6和 C teel c 5] 1 otrl等人【也提出了类似的 ]断裂模型.最近，Xu和 Re h rt J .n ad根据 H l rog i L 8 ieb r l

的尖端为未裂材料和损伤材料的分界点，想裂缝的假末端黏聚力为零，为真正裂缝的尖端.裂缝扩展的判据为裂缝尖端处的主拉应力等于材料的抗拉强度，且沿与最大主拉应力垂直方向开裂.黏聚力随裂缝张开位移的增大而减小，以软化曲线一描述其关系， w 为拉应力， W为裂缝张开位移。裂缝和断裂过程区以外的区域为线弹性 .

的假定得到了适于混凝土的双 K判据

KR Aa= ( )

+KG( ) Aa

() 1 () 2

混凝土实际的软化曲线最初下降很快，大约在≈ 01 A~03 A时变得缓慢，起始段可用直线近 .5 . 3似，全曲线采用双线性曲线近似也可得到很好的结若果 ( 2.图 ) 假想裂缝的尖端应力等于材料的极限抗拉强度，应力强度因子的奇异性消失.一曲线下的面 W积为断裂能，其表达式为G,=

KuAa=F(f ()A ) ( ),, , a,

式 ()式 ()中等号右侧的裂缝扩展阻力包含材料 1, 2的韧度和黏聚力两项，与 H l rog模型不同的是， ieb r l 采用黏聚应力不必取消裂缝尖端的奇异性，这样裂缝的扩展不再取决于裂缝尖端的应力的大小.模型能该

/叫 o d

( 3 )

够区分两种裂缝：起始裂缝 (受控制 )和失稳裂缝 (受+ c△n控制) ( ) . Hieb r l r og的模型有许多因素未考虑，如尺寸效 l应对黏聚开裂模型参数的影响，从而降低了预测实际结构断裂行为的能力. C r itr9引入分形几何 apneiJ[的概念描述微结构不均匀性的影响.最近，他又提出 了一个新的“尺度不变的分形黏聚开裂模型”, 假定损伤发生在试件

的分形段，名义应力、裂缝张开位移和名义断裂能均与尺度有关并采用分形量表示，用来解释众多不同尺寸的拉伸试件的试验数据，服了克 H l r og模型的不足. ieb r l

式 () W 3中为黏聚力为零处的临界裂纹张开位移. 由于下降段的尾部很长，断裂能的确定就存在某些不准确的因素. 根据图 2可定义两个参数，fh c.

EG fJ t

,

2黏聚开裂模型的基本概念如图 1真正裂缝前端存在断裂过程区 (P )断， F Z,裂过程区发生微裂缝、集料互锁、粗糙表面的接触和摩擦等非线性现象，为能量耗散区.若将断裂过程区视为能传递应力 (黏聚力)的假想裂缝，该假想裂缝

图 1断裂过程区 (无剪应力)

() a初始段线性近似图 2软化曲线的近似

() b双线性近似

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式 ()中 E为弹性模量. I 4 c h为 Hlrog特征长 ieb r l度，黏聚区的长度有关.与定义 1是因为有些学者认 1为对无切口试件及尺寸不大的有切口试件，强度取其决于软化曲线的初始线性部分，由^和 W决定.即 若以 G1^/替 Gr …… 此处隐藏：40354字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……