具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性研究

　　1前言对具有宏观裂纹混凝土结构，首先要回答的问题是：在正常的使用条件下，原有裂缝是否会进一步扩展，如果裂纹将进一步扩展，其*大扩展长度是多少，裂缝会不会突然失稳扩展，这一问题在十年前就作出了部分回答：即当裂缝尖端的应力强度因子尺，大于混凝土的起裂韧度而又小于混凝土的断裂韧度时，裂缝稳定扩展；当尺1 =时，裂纹临界扩展；当时，裂缝失稳扩展。这就是混凝土断裂破坏双k准则。由于混凝土断裂参数存在着严重的尺寸效应，上述三个参数（am无论在试验中，还是在计算上都存在着不同的观点；也由于在混凝土的起裂荷载、起裂韧度等概念性问题上还缺乏足够的试验与理论方面的支持，双x断裂准则在数年内基本没有大的进展，所做的工作大多局限在双尺准则的适应范围的讨论上随着混凝土断裂力学影响的扩大，特别是有限元方法在断裂力学中的应用，徐世教授提出的双A：断裂准则近年来获得了一些进展。其主要工作在于从理论上解决了以下两个关键性的问题：虚拟裂纹带上裂缝闭合力crU）与裂纹扩展阻力曲线（/CR曲线）的关系问题；对准脆性材料，考虑了虚拟裂纹带上裂缝闭合力aU）后完全断裂过程区的变化问题。

　　以上两个问题都依赖对混凝土软化模式的确认。

　　因此，在混凝土断裂软化模式研究取得进展之前，混凝土断裂的扩展阻力就不可能通过解析的方法确定下来，混凝土的起裂韧度与其断裂韧度的关系也只能停留在概念的层面上。在上述两个问题基本弄清楚之学（MLEFM）为基础了，而是将其基础建立在准脆性材料的裂纹扩展阻力的概念上。根据裂纹扩展阻力的定义，上a.为初始裂缝长度；a为断裂过程区上任意时刻主裂缝的长度；Aa为主裂纹的扩展量；心（a）为具有初始裂缝a的准脆性材料的内蕴抗裂韧度，与外荷无关；A：R（Aa）为虚拟裂纹带上裂缝闭合力cr（x）产生的阻力。于是，按双尺准则：界扩展量。本文进一步地研究具有宏观裂纹大体积混凝土起裂度的特性，尤其是起裂韧度与断裂韧度的关系。这不仅需要大量大比尺混凝土试件的试验资料，还需要有混凝土软化模式的有关假定。在收集整理我室所作的数批大比尺试验资料的基础上，分析了起裂韧度对材料组份的依赖性，对试件形式及初始裂缝长度的依赖性，并从理论上解释了起裂韧度与断裂韧度的内在联系。

　　2具有宏观裂纹混凝土的起裂特性几乎所有用来研究混凝土断裂特性的试件都具有宏观裂缝。如果断裂参数选择的适当，那么，这一参数应该对试件的形式和初始裂缝长并不敏感。事实上，到目前为止，还没有找到这样的断裂参数。从概念上讲，试件的起裂韧度，特别是起裂荷载，不仅依赖于试件的形式，试件的尺寸，还依赖于试件的相对初始缝长和试件的*大骨料粒径。由于有关尺寸影响的文章很多，众说不一，本文避开尺寸效应问题，主要研究起裂荷载与*大荷载的比值，起裂韧度与断裂韧度的比值，以此判断试验中试件起裂的早晚。设试件形式，相对初始缝长）（4）=g（试件形式，相对初始缝长）（5）鉴于三点弯曲梁试件在混凝土断裂力学中应用的较多，也积累了大量相对初始缝长与试件断裂韧度关系的资料，公式（4），（5）可以改写为：从试验规模及试验结果来看，起裂韧度与断裂韧度的规律性都很强。起裂韧度与断裂韧度的比值在0.4~0.6之间。为了便于下文的利用，就起裂荷载/*大荷载与a.//）的关系进行线性回归：上，r为相关系数，s为平均标准偏差。

　　为试件形式对的影响系数，A2为试件形式对/⑶的影响系数，//）为相对初始缝长。对三点弯曲梁试件八，=l，h =l.下面将分别就混凝土的起裂特性与初始缝长、试件形式的关系作一些探讨。

　　2.1初始缝长对起裂韧度和起裂荷载的影响根据线弹性断裂力学的基本理论，当初始缝长一定，起裂荷载与起裂韧度成严格的正比关系。当初始缝长变化时，就起裂荷载、起裂度与初始缝长的关系进行了系统的研究。其结果可以由来说明。当a/i>在0.3~0.8之间变化时，户，/明显地呈线性上升趋势。与此不同，起裂韧度与断裂韧度的比值则基本保持不变。因此，可以认为茗（a0/D）=1.平均断裂韧度为1.538MPa/；C系列平均起裂韧度为0.778MPa平均断裂度为1.651MPaA7.表1三点弯曲梁试验起裂荷载及起裂韧度试验值试件平均2.2试件形式对起裂特性的影响为了比较试件形式对断裂参数的影响，用与表1中相同的材料，制作了一批紧凑拉伸试件，其断裂参数见表2.将表2中的均值及a.//）代人公式（6），并利用公式（8）、（10）的成果，可以计算出试件形式对的影响系数。即这说明试件形式对起裂荷载/*大荷载几乎没有影响。与此不同，根据的试验资料，试件形式对起裂韧度/*大韧度有明显的影响，因为：以上是根据三点弯曲梁试验与紧凑拉伸试验导出不同尺寸、不同强度的三点弯曲梁试件的分析值进行的一些系数，是否具有一般性，下面与中对比，见表3.表2紧凑拉伸试验双X参数试件平均表3三点切口弯曲梁分析的双k参数试件八lc平均03+0.256）=0.513，比平均值0.690小了很多。但//与计算值基本一致，这说明试件的起裂荷载变异性较大；试件的起裂韧度与断裂韧度的比值比较稳定，二者之间具有某种内在联系。

　　3混凝土起裂韧度与断裂韧度的关系前面已根据试验中的有关参数建立了起裂韧度与断裂禚度的简单关系式（5）和（7），但表1至表3中的有关数据是如何计算出来的，还没有作必要的交待。在此进一步研究起裂韧度与断裂度、起裂荷载与*大荷载的内在联系。

　　3.1由断裂韧度推导起裂韧度表1至表3中所列的起裂荷载、起裂度均为分析而得。其主要思路是：裂韧度巧；~下根据经验公式或解析公式计算断裂过程区上闭合力<7U）产生的反向应力强度因子Klc（cr，Aac）；按公式（12）计算起裂韧度KTC-根据初始缝长及起裂韧度计算起裂荷载，即3.2由起裂韧度推算其断裂韧度按公式（12）给出由起裂度推算其断裂韧度的具体步骤为：=叫+A，按假设的混凝土软化模式