（水工结构工程专业论文）纤维高强混凝土断裂性能的试验研究.pdf

摘要 随着纤维混凝十：的广泛应用和结构分析方法、试验技术、设讨1 方法等的门臻完善，纤 维混凝t 断裂机理的研究已经引起了广大科技工作者的广泛重视。本文在河南省自然科学 基金( 0 3 1 1 0 5 2 8 0 0 ) 资助下，主要进行了以下几个方面的研究： 1 通过2 4 组共7 2 个试件尺寸为2 0 0 m m x1 7 0 m m x1 0 0 m m 的楔劈拉伸试件的试验， 探讨了钢纤维体积率、钢纤维类型、相对切口深度等对高强混凝土断裂性能的影响，建立 了钢纤维高强混凝士断裂韧度( 蝎c ) 、断裂能( g f ) 、临界裂缝嘴张丌位移( c m o d c ) 、 】愉界裂缝尖端张_ ：位移( c t o d c ) 等断裂参数与钢纤维含量特征参数的关系式；分析了钢 纤维高强混凝土和普通高强混凝土的缺口敏感性以及钢纤维对高强混凝土裂缝前缘应变 场分布的影响。试验结果表明：钢纤维的加入可以极大地改善高强混凝土的断裂性能，随 着纤维体积率的增加，钢纤维高强混凝土断裂参数均有不同程度的提高；与铣削型和剪切 波纹型钢纤维相比，切断弓型钢纤维可以极大地改善高强混凝土的断裂性能；钢纤维高强 混凝土断裂韧度和断裂能存在缺口敏感性，钢纤维体积率的变化对高强混凝土缺口敏感性 的影响较小；钢纤维的加入可以改善裂缝前缘应变场分布。 2 通过8 组共2 4 个试件尺寸为2 0 0 m m x1 7 0 m m 1 0 0 m m 楔劈拉伸试件的试验，探讨 了聚丙烯纤维掺量对高强混凝土断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移的影响，研究了 聚丙烯纤维高强混凝土裂缝前缘应变场分布。结果表明：在本次试验条件下，聚丙烯纤维 对高强混凝土断裂韧度基本没有影响，但可以提高高强混凝土的断裂能和临界裂缝嘴张开 位移；随着纤维掺量的增加，断裂能和断裂能增益比都有不同程度的提高，临界裂缝张开 位移有减小的趋势，临界裂缝嘴张丌位移增益比变化没有明显的规律性：聚丙烯纤维对高 强混凝土试件裂缝前缘应变场分布改善不显著；聚丙烯纤维主要改善高强混凝土的裂后行 为。 3 通过对1 4 组共4 2 个混杂纤维高强混凝土楔劈拉伸试件的试验，研究了混杂纤维高 强混凝土的断裂力学性能和纤维混杂效应。研究结果表明：纤维的加入可以极大地改善高 强混凝土的断裂性能，纤维掺量较小的混杂纤维高强混凝土表现了纤维的正混杂效应，随 着纤维掺量的增加，纤维的混杂效应逐渐消失；钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的 改善方面起着主导作用，聚丙烯纤维对高强混凝土断裂性能的改善有局限性，弓型纤维对 混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善较为有效。 关键词：钢纤维；聚丙烯纤维：混杂纤维；高强混凝土；断裂韧度：断裂能；裂缝嘴张丌 位移；裂缝尖端张丌位移 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v eu s eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t em a dt h ed e v e l o p m e n to fs t r u c t u r a la n a l y s i s m e t h o d ，e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e ，d e s i g nm e a n s ，t h er e s e a r c ho nt h ef r a c t u r ep r o p e r t i e so ff i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t eh a sb e e ne x t e n s i v e l yr e g a r d e da st h ep r o j e c t s u p p o r t e db yt h en a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fh e n a np r o v i n c e ( 0 3l1 0 5 2 8 0 0 ) ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k sh a v e b e e na c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e r ： 1 b yt h ew e d g e s p l i t t i n gt e n s i l et e s to ns e v e n t y - t w os p e c i m e n so fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t hc o n c r e t e ( h s c ) w i t ht h es i z eo f2 0 0 m m x l 7 0 m m x l o o m m ，t h ei m p a c t so fs t e e l f i b e rv o l u m er a t i o ，n o t c h d e p t h r a t i oa n dd i f f e r e n t t y p e s o fs t e e lf i b e r u p o n t h ef r a c t u r e p r o p e a i e s ，s u c ha sc r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( 蜀c ) ，f r a c t u r ee n e r g y ( g f ) ，c r i t i c a l c r a c km o u t h o p e n i n gd i s p l a c e m e n t ( c m o d c ) a s w e l la sc r i t i c a lc r a c k t i po p e n i n gd i s p l a c e m e n t ( c t o d c ) o f h s ch a v eb e e ns t u d i e d ，t h ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e ns t e e lf i b e ra s p e c tr a t i oa n df r a c t u r ep r o p e r t i e s o fh s cr e i n f o r c e dw i t hs t e e lf i b e rh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h en o t c hs e n s i t i v i t yo fh s ca n ds t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh s ca n dt h es t r a i nf i e l do fh s cr e i n f o r e e dw i t hs t e e lf i b e r sa h e a do ft h ec r a c k t i ph a v e b e e na n a l y z e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e rc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ef r a c t u r ep r o p e r t i e so fh s c ，a st h ei n c r c a s eo fs t e e lf i b e rv o l u m er a t i o ，t h ef r a c t u r e p a r a m e t e r so fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh s ci n c r e a s ed i f f e r e n t l y i nc o m p a r i s o n 砸t ht h em i l l e d s t e e lf i b e ra n dw a v e ds t e e lf i b e r , t h ea d d i t i o no fb o w e ds t e e lf i b e rt oh s c i m p r o v e s i t sf r a c a n a l p r o p e r t i e sm o r e t h eh s c a n ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh s ca r ea l lh a v en o t c hs e n s i t i v i t y ，t h e a d d i t i o no fs t e e lf i b e rt ot h eh s ch a se x t e n s i v e l yi m p r o v e dt h es t r a i nf i l e da h e a do ft h ec r a c k t i p 2 b yt h ew e d g e s p l i t t i n gt e n s i l et e s to nt h et w e n t y f o u rs p e c i m e n so fp o l y p r o p y l e n ef i b e r r e i n f o r c e dh s cf ，珏t h es i z eo f 2 0 0 m m 1 7 0 m m x l 0 0 m m t h e i m p a c t so f p o l y p r o p y l e n ed o s a g e u p o nt h ef r a c t u r ep r o p e r t i e s ，s u c ha ss t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , f r a c t u r ee n e r g y , a sw e l la sc r i t i c a l c r a c km o u t ho p e n i n gd i s p l a c e m e n to fp o l y p r o p y l e n er e i n f o r c e dh s ch a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ， a n dt h es t r a i nf i e l da h e a do ft h ec r a c kt i po fp o l y p m p y l e n ef i b e rr e i n f o r c e dh s ch a sb e e n r e s e a r c h e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea d d i t i o no f p o l y p r o p y l e n e h a sn o i m p a c t su p o nt h e k l c ，b u ti n c r e a s e st h eg va n dc m o d c w i t h t h ei n c r e a s ed o s a g eo fp o l y p r o p y l e n e ，g fa n dt h e i n c r e m e n tr a t i oo f g fi n c r e a s er e s p e c t i v e l y , b u tc m o d c d e c r e a s e d ，a n dt h ev a r y i n go f i n c r e m e n t r a t i oo fc m o d ch a sn od i s c i p l i n a r i a n , a n dt h ei n f l u e n c eo fs t r a i nf i e l da h e a do fc r a c kt i pi ss m a l l p o l y p r o p y l e n ei m p r o v e s t h e p r o p e r t i e so f h s c a tt h e p o s t c r a c k i n g z o n e 3 b yt h ew e d g e s p l i t t i n gt e n s i l et e s to nt h ef o r t y - t w os p e c i m e n so fh y b r i d ( s t e e la n d p o l y p r o p y l e n e ) f i b e rr e i n f o r c e dh s c w i t ht h es i z eo f2 0 0 m i n x17 0 m m x1 0 0 m m ，t h ef r a c t u r e p r o p e r t i e so fh y b r i df i b e r r e i n f o r c e dh s ca n dt h es y n e r g ye f f e c to nh s ch a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i i t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e a d d i t i o no ff i b e rh a s e x t e n s i v e l yi m p r o v e dt h ef r a c t u r e p r o p e r t i e so fh s c ap o s i t i v es y n e r g ye f f e c tb e t w e e ns t e e lf i b e ra n dp o l y p r o p y l e n eh a sb e e n o b s e r v e da tl o wf i b e rd o s a g ea n dt h e s y n e r g y e f f e c td i s a p p e a r sw i t ht h ei n c r e a s eo f f i b e r d o s a g e ， s t e e lf i b e rp l a y sak e yr o l eo nt h ei m p r o v e m e n to ff r a c t u r ep r o p e r t i e so f h y b r i df i b e rr e i n f o r c e d h s c t h ei m p r o v e m e n te f f e c to f p o l y p r o p y l e n eo nt h ef r a c t u r ep r o p e r t i e so fh y b r i dr e i n f o r c e d h s ci ss m a l l b o w e ds t e e lf i b e ri sm o r ee f f e c t i v eo nt h ei m p r o v e m e n to ff r a c t u r ep r o p e r t i e so f h y b r i df i b e rr e i n f o r c e dh s c t h a no t h e rt w o l y p e so f s t e e lf i b e r k e y w o r d ：s t e e lf i b e r ：p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；h y b r i df i b e r ；h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e ( h s c ) ；s t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r ；f r a c t u r ee n e r g y ；c r a c km o u t ho p e n i n gd i s p l a c e m e n t ；c r a c k t i p o p e n i n gd i s p l a c e m e n t i i i 郄她人学硕十学位论文第一章纾维涵凝干= 断裂力学概述 第一章纤维混凝土断裂力学概述 1 1 断裂力学的产生及发展 1 1 1 断裂力学的形成 时至二十一世纪，各国，尤其是发达的工业化国家，工业生产突飞猛进，生产力高 速发展。随着船舶工业、飞机制造和大型焊接结构的制造：航天飞机、宇宙飞船、火箭 和导弹等新兴工业的发展；新工艺、新材料和高强材料的采用以及高压、高速、高温与 低温材料的特殊要求等，使得传统的强度理论如材料力学、结构力学等无法适应当前生 产力发展的需要。按照过去材料力学理论和材料强度计算、设计、制造的工程结构及零 部件，表面上看起来是可靠的，却往往在低于设计荷载情况下发生低应力脆断现象，甚 至造成灾难性事故。例如美国的某导弹发动机壳体试验时发生突然爆炸破环，它的设计 屈服强度是1 6 0 k g f m m 2 ，但在实验室工作应力只达7 0 k g f m m 2 就爆炸了。从最近几年的 情况来看，生产中断裂事故的发生有愈演愈烈之势，如不及时得到解决，无疑将会严重 阻碍生产力的发展。 传统的强度计算理论是以材料力学和结构力学为基础的，它通常假定材料为均匀连 续体，避丌构件客观存在的缺陷或裂纹，计算时只要工作应力不超过材料的允许应力就 认为结构或构件安全。而实际构件总是存在着不同形式的缺陷，因而实际材料的强度 大大低于理论模型的强度。低应力脆断事故的发生大都源于存在于材料内原有的微小裂 缝或缺陷。断裂力学正是为了弥 h 传统设计思想的这一严重不足而产生的1 2 】。 1 1 2 断裂力学( 宏观) 的发展历程 断裂力学的先导是英国科学家a a g r i f f i t h 。他在1 9 2 0 年、1 9 2 4 年相继发表的两篇 关于玻璃脆断的论文中建立了脆性断裂理论的基本框架，他清楚地论述了弹性理论分析 关于禽椭圆孔无限平面介质的弹性解的模糊性。g r i 硒t h 这一划时代的贡献得益于l n g l i s h 关于含椭圆孔无限平面介质的弹性解。在a a g r i 航m 以后的二十余年间，诸多科学家在 这一学科中播下了对断裂力学发展有启蒙作用的火花，但均没有上升到在4 0 年代未、5 0 年代初gi r w i n 等人所达到的高度。i r w i n 和o r o w a n 在同一时期分别独立地将g r i f f i t h 理论扩展到金属上1 3 】，同时i r w i n 将g r i f f i t h 理论的整体概念与一个更容易计算的裂纹尖 端的应力参数联系起来，因为这两个贡献在断裂力学的发展中起着决定作用，所以线弹 性断裂也称为g r i f f i t h i r w i n 断裂力学。i r w i n 在1 9 5 7 年完成了应力强度因子理论的基本 框架，并提出弹塑性材料的小范围屈服理论。裂纹这类规整力学边值问题的出现激发了 固体力学家的热忱。复变函数和积分变换等方法在求解应力强度因子时显示出了威力。 1 9 7 3 年，以t a d a 、p a r i s 、i r w i n 编纂的第一本应力强度因子手册问世，标志着线弹性断 ：q t * a 学硕7 学位论叟第一章纤维灌凝十峨裂匀学概述 裂力学趋于成熟。 弹塑性断裂力学的发展起始于6 0 年代美、英两国科学家在研究这一困难问题时 采取了不同的切入点。英国科学家认为弹塑性断裂过程集聚于裂缝前方的条状屈服区内， 并发展了各种断裂过程区模型，如b c s 连续位错模型、c o t t r e l l 的各种断裂过程区模型、 d u g d a l e 的简化条状塑性区模型、b a r e b b l a t t 的内聚断裂模型等。上述模型为w e l l s 在6 0 年代初提出以裂纹张丌位移( c o d ) 为断裂参数的想法提供了物理基础，并在7 0 年代 末发展为压力容器结构和承压核结构的缺陷评估标准。美国科学家则更多地继承了i r w i n 关于用应力强度因子来刻画裂缝尖端应力奇异场的思想。这探索在1 9 6 8 年得到突破， j 积分和h r r 场成为影响一代弹塑性断裂力学学者的断裂参量和奇异场分析方法。以j 积分作为断裂准则，美国电力研究院发展了弹塑性缺陷评估的工程评估方法，称为e p r l 方法，并在】9 9 1 年推出了一本较完整的延性断裂手册，标志着弹塑性断裂力学走向成熟。 我国在1 9 6 8 年丌始断裂力学研究，起初，一些力学工作者和材料学工作者学习和运 用断裂力学理论成功地解决了一批工程结构和零件的裂纹问题，如转子锻件、球墨铸铁 曲杆、高压钢管和发动机涡轮以及混凝土坝的裂纹问题。目前，断裂力学的研究在我国 方兴未艾。 1 1 3 断裂力学研究的主要内容 断裂力学是研究有裂纹( 缺陷) 构件断裂强度和扩展规律的一门科学。或者说是研 究含裂纹构件的裂纹平衡、稳定扩展和失稳扩展的规律：带裂纹构件的强度；估计结构 的寿命以及研究延长寿命的方法。它的主要任务是研究裂纹尖端附近应力应变情况，掌 握裂纹在荷载作用下的扩展规律，了解带裂纹构件的承载能力，从而提出抗断设计的方 法，保证构件的安全性垆j 。 断裂力学研究的基本内容可形象地归纳于图l l 【6 j 。 1 2 混凝土及钢纤维混凝土断裂力学研究 1 2 1 混凝土断裂力学的产生和发展 断裂力学出现后，土木工程师们很容易想到能否用断裂力学的理论来研究混凝土的 断裂机理和宏观裂缝的稳定性。1 9 6 1 年m ，e k a p l a n 首先将断裂力学的概念应用于混凝 土，并进行了混凝土韧度试验。随后的研究工作大都是在假设线弹性断裂力学适合混凝 土的前提下，对其断裂参数进行研究。但是，由于最初没有弄清混凝土断裂破坏的特殊 性质，所以导致了很多相互矛盾的结果。许多研究发表的混凝土断裂韧度的测定值，其 变异性引起众多学者对线弹性断裂力学能否应用于混凝土材料的怀疑。研究人员经过进 一步研究发现，混凝土是一种准脆性材料，与玻璃、陶瓷等脆性材料可以直接使用线弹 性断裂力学不同，混凝土材料表现出非线性性质：另一方面，与一般会属材料在裂缝尖 端有明显的塑性区不同，混凝土断裂在裂纹的尖端存在着微裂区( 或称其为“断裂过程 郑柚大学硕士学位论文 第一章纤维混凝士断裂力学概述 5 嘉高i ，。ji 嚣：，：； i l 。：。陌；j 裂纹尺寸) o ，m l【裂麦兵等：0 。5 _ ij 蔗m 雕眦疆 区”) 。试验表明，该裂纹区呈带状，混凝土裂纹的扩展总是以该裂纹区为先导。断裂过 程区外材料呈线弹性，断裂过程区内材料发生软化，呈非线性【7 j 。混凝土裂尖微裂区的 存在及裂缝( 在微裂区内) 的亚临界扩展是造成混凝土断裂性能复杂化的主要因素瞄j 。 有关混凝土断裂的研究大致可分为两类 9 1 ，一类是用线弹性断裂力学中的参数表示混 凝士的断裂特性，另一类则着重研究裂纹形态和断裂表面，以了解材料不均匀性对裂纹 的影响。从本质上来讲，混凝土材料从起裂到断裂始终都不是线弹性的，也不是真正意 义上的均质各向同性，线弹性混凝土断裂力学的发展遇到了不少困难。为此，人们提出 了不少混凝土断裂破坏的非线性分析方法及模型。归纳起来有：阻力曲线法；裂纹 端微裂区模型；虚拟裂纹模型：过程区模型；钝化裂纹带模型；概率断裂模型 等。随着模型的不断提出，混凝土非线性断裂力学得到迅速发展，表征混凝土断裂力学 行为的断裂参数同益增多。断裂参数不仅是混凝土断裂力学行为的反映，而且是混凝上 断裂模型顺利应用的重要基础。 关于混凝土裂缝特性的研究，始于1 9 7 6 年h i l l e r b o r g 及其同事提出的虚拟裂纹模型 f f i c t i t i o u sc r a c k m o d e l ，f c m ) ，也是混凝土断裂力学成熟的起点，之后为众多学者所不 断完善。在分析混凝土i 型裂纹扩张时，人们不难发现，在混凝土裂纹失稳扩张前，其 裂缝前缘已经出现了大量的微裂纹区。试验表明，该微裂纹区是一条带状区，混凝土裂 纹的扩展总是以该裂纹区为先导。因此，如何描述裂缝区混凝土材料的力学行为对研究 混凝土裂缝的扩展规律将是十分重要的。微裂区的出现必将削弱混凝土裂缝前缘部分传 递应力的能力，这一现象被称为材料的软化。材料软化后其传递应力的能力与微裂区的 “宏观”变形之间存在着一种反比关系，即微裂区发展越充分其所传递的应力越小，当 微裂区扩展宽度达到材料的极限宽度时，所传递的应力为零并同时出现宏观裂缝。 型型塑堂丝生一 笪二兰型燮兰堑型堂型 根掘混凝土裂缝扩展的上述特点，虚拟裂缝模型认为可以将微裂区简化成一条“虚裂缝”， 如图1 2 所示。该虚裂缝的张丌宽度w 代表了微裂区变形量的大小，虚裂缝面卜某 点所传递的软化应力o ( x ) 与该点虚裂缝面的张丌宽度w ( x ) 2 1 日j 的关系称为软化曲线，虚 拟裂缝模型常与育限元法联合使用2 1 。模型所需参数为断裂能g f 、抗拉强度厂。及应变软 化曲线( 口w 曲线) 。 口，：上 ”l 一 已青曩缱新形盥的裂址虐担辩缱 ，b 1 圈1 2 混凝十虚拟裂缝模型 虚拟裂缝模型采用的基本假设为f m l ：( 1 ) 当混凝土缝端应力较低时，微裂区稳定不扩 展，而当应力达到某临界值时，微裂区扩展。( 2 ) 混凝土应力达到抗拉强度后，裂缝间 仍有相互作用应力，这种相互有应力作用的裂缝称为虚拟裂缝。虚拟裂缝面上传递应力 的大小随虚拟裂缝张开宽度的增大而减小，在应力减小为0 的点即为真实宏观裂缝的端 点。( 3 ) n t ；l 裂缝区应力变化的规律由拉伸试验确定，拉伸曲线的下降段可简化为单线性 或双线性软化曲线。( 4 ) 混凝土拉伸软化认为是在一个带内微裂纹形成、扩展，带外区域 则保持均匀各向同性弹性性质，无能量耗散，带的宽度一般认为在最大粒径的三倍左右。 各国研究者的研究均表明，断裂能是混凝土的材料特性，断裂韧性表征材料阻止断 裂的能力。p e t e r s s o n 于1 9 8 0 年用带裂缝的三点弯曲试验梁求得了混凝土断裂能，使得 对混凝土断裂能的测试前进了一步。后来r i l e m 也推荐“用带切口的三点弯曲梁确定 砂浆和混凝土断裂能”作为标准测试方法【“】。目前，关于混凝土断裂能和抗拉强度的研 究已经相当广泛，关于混凝土应变软化曲线的研究也多有报道。 文献 1 2 】认为：当应力达到混凝土抗拉强度石后，盯j 曲线逐渐下降。其原因显然 是材料微裂纹、孔隙扩展，材料逐渐受损伤，以致小的应力强度即能造成较大的拉伸量， 因此，称一j 图的下降段为应变软化曲线。软化曲线表明：材料断裂面不是达到一= 时突然拉断( 即不是失稳断裂) ，而是应力达到f 后断面逐步被拉丌，该应力随j 增大而 减小，这是混凝土断裂的特点。通常可利用软化曲线来求混凝土构件的裂纹形成和扩展。 文献1 1 1 认为：随着应变水平的增加，应力开始时增加，随后达到极限值，最后减小。 x y ： i a 学硬 “娩论文第一章纤维浅凝十辑裂力学概述 应力水平随应变的增加而减小的现象称为应力软化。应力软化主要发生在试件的个狭 窄的区域( 断裂过程区或者损伤区) 内，混凝士软化本构曲线( 软化曲线) 描述了断裂 过程区特性。因而，研究混凝土的破坏机理时，拉仲软化特性( 断裂能、拉伸软化曲线 的形状) 必须作为混凝土重要的材料特性之一去研究，它包含有解释混凝土的断裂现象 所需的诸多信息，如裂纹扩展分析采用的本构方稗、定量考察混凝土微裂纹区域的依据、 阐明高强混凝土的脆化机理、尺寸效应、破坏模式所需的信息等。混凝土的拉l 申软化特 性与极限强度一样有着重要作用，考虑拉伸软化特性的数值分析对求解混凝土结构的极 限荷载、屈服现象等都具有重要意义。文献 1 3 】认为：混凝土断裂行为的非线性数值分 析所需的断裂参数，一般来说可由混凝土的应变软化关系来确定，众多的混凝土裂缝模 型( 包括一些修正的线性裂缝模型) 对混凝土断裂行为分析都依赖于这种关系的确定，如 何准确确定这种关系意义非常重大。考虑软化效应是混凝土强度分析理论的一大进步， 对混凝土软化理论的研究，主要集中于软化系数和软化应力应变关系的确定1 1 “。 混凝土的应变软化曲线一般需要由直接拉伸试验的应力应变曲线过峰值后的下降 段来确定【l 1 1 13 1 。但大多数实验室由于缺乏大刚度电液伺服试验设备而很难进行完全的混 凝土直接拉伸试验。基于此，目前确定软化曲线使用最多的仍然是数值模型法。p e t e r s s o n ， w i t t m a n n 等对此做了许多工作，得到了许多有价值的成果。尽管直接拉伸试验确定软化 曲线比较困难，但并不表示软化曲线就不能通过试验测试，研究人员利用三点、四点弯 曲试验、紧凑拉伸试验和楔劈拉伸试验都成功地测出了混凝土的软化曲线f 7 】【1 5 】。 对于混凝土应变软化本构关系，许多学者提出了不同形式的混凝土软化曲线形式。 有线性的和非线性的( 如以r e i n h a r d t 的研究结果为代表的指数函数形式的应变软化关 系) ，线性曲线又分为单线性和双线性两种，双线性模型根据选取参数的不同又分为多种 形式，双线性软化本构曲线更接近材料软化曲线的真实情7 兄【8 l 【l 6 1 。文献 1 7 1 利用j 积分法 计算了混凝土的软化曲线。文献【1 8 】基于h i l l e r b o r g 的虚拟裂纹模型，利用有限元分析方 法，求得折线近似的拉伸软化曲线的逆解方法。对弹性模量、初始开裂应力的确定方法 进行了研究，并以双直线模型的计算结果为算例进行了逆推分析，算例符合得很好，也 较好地从试验得到的荷载位移曲线再现了拉伸软化曲线，对于研究混凝士的断裂能，尺 寸效应等问题具有重要意义。文献【1 9 提出了软化梁模型( s o f t e n i n gb e a mm o d e l ) ，认为 断裂过程区的长度取决于应变软化模量( s t r a i ns o f t e n i n gm o d u l u s ) 。文献【7 在对混凝土 应变软化关系物理意义及试验方法进行分析的基础上，提出一种新的确定混凝土应变软 化关系方法，并根据获得的试验结果，通过数值计算，间接确定了混凝土的应变软化关 系，实际应用结果表明这种方法是比较简便有效的。 关于混凝土断裂试验缺口敏感性问题，许多研究者得到了相互矛盾的结论，文献 2 0 对此作了较为详尽的分析。 郯伯凡学碗t 学位论文第一章纾维溉凝十断裂力学援述 1 2 2 纤维混凝土断裂力学研究现状 纤维混凝土( f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称f r c ) 是在混凝土中加入乱向分布的短 纤维( 包括钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维、维纶纤维、聚乙烯醇纤维、碳纤维、 混杂纤维等) 所形成的新型复合材料，纤维加入到混凝土中主要改善混凝土的抗拉性能、 以及与混凝土抗拉性能有关的抗裂、抗剪和抗弯性能，阻止裂缝的发展，提高混凝土的 韧性，起到增强与增韧的双重作用。这些优良的物理力学性能使纤维混凝土已广泛地应 用于道路路面、机场跑道、桥梁结构、水工建筑、隧道衬砌、压力管道等 2 2 1 。由于混凝 土中掺入纤维具有抵抗裂纹形成及其扩展的巨大潜力，使得纤维混凝土的断裂行为、抗 裂性能与素混凝土相比有很大差别。因此，研究其断裂特征，建立断裂模型，不仅对了 解纤维混凝土材料本身具有重要意义，而且对纤维混凝土的结构性能研究和结构设计有 一定的指导作用【2 1 l 。 由于纤维的阻裂增强作用，使纤维混凝土在破坏之前有大范围的缓慢裂纹稳定扩展 以及裂纹尖端存在微裂区或裂缝过渡区。纤维混凝土的断裂过程大致是；随着裂纹扩展 通过纤维增强效应区时，裂缝将受到纤维的阻挡而缓慢发展或改变方向绕过纤维而在另 一个较易通过的区域内通过，然后又被其他纤维阻挡。与此同时，开裂区的纤维将提供 拉拔阻力，阻止裂纹张开。由于纤维乱向分布的特点，使这种开裂和阻裂也是乱向的， 这就增加了裂纹丌裂路径的曲折性，使纤维混凝土材料在荷载作用下表现为裂纹缓慢的 增长，呈现塑性特征。通常把纤维能起到阻裂的区域称为“假塑性区”1 2 ”。在该区域内， 混凝土基体开裂，由纤维阻止裂缝张开，其效果与纤维拔出量有关。裂纹缓慢增长使得 材料中扩展裂纹所需要的能量随裂纹延伸而增加，直到能量达到一临界值而发生裂纹快 速失稳扩展和断裂。因此，纤维增强混凝土的研究重点是合理地反映纤维的阻裂增强作 用。 在纤维增强混凝土内，由于相邻纤维的制约，对给定应力值来说，纤维的作用是有 效地减少了应力强度因子局，在裂缝尖端的前面把纤维从基体中剥离出来需要另加能量。 纤维的存在总是增加宏观断裂表面的不规则性，它揭示了水泥骨料和水泥一纤维两种 界面上的开裂。a l e s z k a 和s c h n i t t g n m d 假定：在纤维增强混凝土内，断裂从水泥一骨料 界面上的裂缝开始，当裂缝扩展进入基体内时被纤维所阻止，纤维提高断裂所需要的能 量。并注意到围绕宏观裂缝尖端有很大的细小裂缝区，当裂缝延伸扩展时，这些细小裂 缝好像随裂缝尖端移动。 普通混凝土断裂性能的研究本身就是一个相当复杂的问题，掺入纤维后复合材料断 裂性能的研究将更加困难【2 “。纤维混凝土的断裂涉及到混凝土基体与纤维的联合作用， 也涉及到从微观起裂到宏观破坏的一系列过程。当纤维混凝土结构受到外部荷载作用时， 其主裂纹前端出现一断裂过程区，该过程区的性能对纤维混凝土的断裂与韧性有很大影 响。当纤维混凝土初裂以后，裂纹张l 丌受到横跨裂纹纤维的桥接阻止作用，这种阻止作 用取决于纤维类型、纤维性能、基体性能、纤维的几何形状及分布情况等。 6 郄缃人学硕十学霞论文 第一章纤维混凝十断裂力学溉述 吲外对纤维混凝土断裂性能的研究较早。文献 2 3 认为，钢纤维混凝土的性能( 例 如，丌裂阻力和变形能等) 不能单纯用强度表述，应力软化曲线可以描述钢纤维混凝土 丌裂后的应力特性。w e c h a r a t a n a 丰 1 s h a h l 2 4 】考虑纤维桥接区和基体裂纹尖端的非线性，假 定非线性的闭合应力相当于纯拉作用，实际裂纹可由有效长裂纹代替，并将有效裂纹 分为3 个区域，即自由拉力区、纤维桥接区和由骨料嵌锁和微裂缝导致的基体过程区。 v i s a l v a n i c h 和n a a m a n i “5 。”1 为了研究钢纤维混凝土中断裂性能的尺寸效应提出了钢纤维 混凝土裂纹模型。该模型将裂纹分成3 个区域：区域i 为真实裂纹，纤维被拔出或拔断： 区域i i 为假塑性区，此处基体己丌裂，但桥接的纤维仍能提供一些阻止拔出或拉裂的作 用：区域i i i 为复合材料中的微裂区或过程区。假塑性区本身又可分为两个区域，其性能 与纤维长度、界面粘结性能等许多参数有关。h i l l e r b o r g | 2 驯把他的虚拟裂缝模型延伸应用 于纤维混凝土中，认为闭合应力是纤维长度、纤维直径和界面粘结强度的函数。v i s a l a n i c h ：f n n a a m a n 提出了相似的断裂模型，认为闭合应力依赖于纤维的有效系数，并且是裂缝开 裂外形的指数函数。w e c h a r a t a n a 哥 s h a h 2 9 - 3 0 认为闭合应力的分布为抛物线形。b a l a g u r u 等提出了预测纤维混凝土中混凝土基体的硬化模型。l i 和l i a n g 提出了预测混凝土和纤维 混凝土断裂过程区的数学模型。这些方法可以概括分为粘结裂缝模型和有效裂纹模型两 大类。粘结裂缝模型最基本的要求是应变软化曲线，又称为应力位移曲线，该曲线与 跨越裂缝的应力、粘结应力和裂缝张开位移等有关。s a h a m o u s h 等人p l j 基于断裂力学 理论提出了预测纤维混凝土断裂韧性的计算模型，认为在荷载作用下，钢纤维的总位移 主要是由三个因素联合作用的结果，包括由于纤维埋入部分的位移、混凝土变形引起的 位移、纤维与混凝土界面滑移引起的位移。他们提出的计算方法分两步进行：第一步不 考虑钢纤维的存在，将混凝土板看成是多向同性体，根据断裂力学方法计算混凝土的应 力强度因子，然后根据计算的应力强度因子计算裂缝的开裂位移，根掘开裂位移用试算 法计算裂缝表面尚未屈服的纤维数量；第二步根据计算的纤维数量再经过一系列复杂运 算计算纤维的桥接作用而产生的闭合应力强度因子，二者叠加最后计算出纤维混凝土应 力强度因子。该模型虽然考虑了纤维的桥接作用，但是计算过程中要解线性方程组，难 以在工程领域推广应用。文献【3 2 利用三点弯曲和四点弯曲试验研究了低掺量钢纤维和 聚丙烯纤维混凝土的断裂性能，结果表明，利用线弹性断裂力学解释试验结果，只有0 3 纤维含量时的蝎c 有增加，且这种增加效果不很明显，而利用非线性断裂力学更适合解 释试验结果，随着纤维的加入，断裂力学参数有较大的增加。 国内对纤维混凝土断裂性能也进行了诸多研究。文献 3 2 1 在对已有的钢纤维混凝土 断裂模型及其应用进行总结和评价的基础上，认为在建立纤维混凝土断裂模型时必须考 虑基体对起裂的阻止作用，如集料嵌锁等。文献 3 3 3 4 1 对钢纤维混凝土的断裂韧度和断 裂能进行了研究。文献 3 5 1 通过对c 8 0 高强混凝土( h s c ) 和钢纤维高强混凝+ ( s f h s c ) 试 件断裂性能的测试，分析了两类混凝土的断裂性能，并通过多个指标与普通混凝土进行 比较，总结分析了h s c 和s f h s c 的断裂性能。文献【3 6 】利用楔劈拉伸试件对不同类型的 钢纤维高强混凝土断裂特性进行了研究，得到了不同类型钢纤维高强混凝土的荷载临 郑州人学硕+ 学位论文第一章纾维混凝手断裂力学概述 界裂缝嘴张丌位移( c m o d ，) 曲线。文献 3 7 将钢纤维的增强作用归结为3 个方面：显 著提高混凝土的韧性或能量吸收能力、提高混凝土的抗拉强度或应变以及改善混凝土控 制裂纹的能力，并通过引入应力变化系数、体积变化系数，提出了钢纤维混凝土材料断 裂力学模型。文献 3 8 1 n 用四点弯曲试验，研究了碳纤维和钢纤维混杂对混凝土力学性 能的影响，研究结果表明，在较低体积掺量下( o5 ) ，混杂纤维混凝土的抗压强度、抗 拉强度、断裂能和抗弯韧性得到显著提高，断裂能提高r 2 j 倍。文献【3 9 4 0 采用带预制 裂纹的、尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 0 0 m m 的棱柱体四点弯曲试验，研究了聚丙烯纤维与 3 种尺寸的钢纤维混杂增强水泥基复合材料，纤维总体积率在0 o 9 5 范围内的混杂纤 维的阻裂效果和纤维混杂效应。文献 4 1 通过三点弯曲试验，研究了聚丙烯纤维混凝土 的断裂韧度，试件尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 1 5 m m ，跨度为4 5 0 m m ，采用单边预制裂纹， 其裂纹长与试件高度之比为0 5 ，试验结果表明，聚丙烯纤维可以提高混凝土的断裂韧度， 有利于混凝土抵抗裂纹的扩展。同时认为在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维是抑制混 凝土丌裂的有效途径，聚丙烯纤维在混凝土中所形成的乱向支撑体系，产生一种有效的 二级加强效果，能较大幅度提高混凝土的抗裂性能，改善混凝土的抗渗、抗冲击及耐磨 性能等。文献【4 2 采用1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 1 5 m m 、相对切1 2 1 深度为0 5 的纤维混凝土试件， 研究了体积掺量同为04 的不同弹性模量的纤维对高强混凝土( c 8 0 ) 断裂韧性和断裂 能的影响。试验表明，纤维混凝土断裂能比基准混凝土的断裂能均有较大的增加，钢纤 维对混凝土的断裂能及断裂韧性增加显著，弹性模量较低的维纶纤维混凝土和聚丙烯纤 维混凝土的断裂韧性有所降低，体积掺量0 4 的聚丙烯纤维高强混凝土断裂韧性减小幅 度为6 6 1 ，维纶纤维减少1 6 。 对纤维混凝土软化曲线的试验研究工作远没有混凝土那样广泛深入，更谈不上总结 性的一般公式2 1 1 4 。文献 1 2 1 通过对试验资料的分析得到了纤维体积率p ，为1 的钢纤 维混凝土的软化试验曲线。文献 4 3 1 干t j 用三点弯曲试验结合有限元分析认为：如果纤维 在混凝土内呈随机乱向分布而视材料为各向同性体，则可用纤维混凝土的抗拉强度 ， 参考混凝土的软化曲线公式得出适用于纤维混凝土的软化曲线，并提出了一种求软化曲 线的方法，得到了p ，为1 5 的钢纤维混凝土一般的软化曲线。文献 4 4 1 从力学角度出发 阐释了建立钢纤维混凝土拉伸软化本构方程的可能性，并通过切口梁三点弯曲试验获得 的荷载加载点位移曲线间接得到钢纤维混凝土在拉伸过程中断裂过程区的能量损耗和 拉伸分离位移之间的定量关系，通过数值方法拟合出其拉伸软化本构方程，但是该文献 只是提供一种方法，并没有真正从试验的角度出发，提供一套合理有效的软化曲线方程。 对其它品种纤维混凝土软化曲线的研究以及纤维混凝土缺口敏感性的研究还没有见到相 关报道。 与混凝土断裂力学研究相比，纤维混凝土断裂力学研究还略显不足，国内外虽然提 出了纤维混凝土断裂模型的建立途径和方法，但是，仍然存在着试验数据不足，或根本 没有进行系列的试验研究，或仅从力学角度分析建立纤维混凝土断裂模型的问题，特别 是没有研究纤维混凝土断裂参数与纤维含量特征参数的关系，混杂纤维混凝土断裂性能 ) t 玎h a 学硕士学位论文第一章纾维搅凝十甑裂力学概述 的研究还处于起步阶段。 1 2 3 纤维混凝土断裂力学的应用和前