混凝土与钢筋混凝土断裂过程区尺度研究

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混凝土和钢筋混凝土的受力破坏过程与其裂纹的形成和扩展有着密切的关系,断裂力学是专门研究和分析带有裂纹的材料的强度以及破坏过程和规律的一门学科,而混凝土或钢筋混凝土构件很多是在带裂缝工作的,因此应用断裂力学研究混凝土和钢筋混凝土结构的受力性能及其破坏原理是行之有效的。混凝土和钢筋混凝土材料是非线性的,因此其破坏过程是比较复杂的,表现为裂纹的起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展三个阶段。对于混凝土材料来说,在裂纹尖端由于骨料的咬合作用会形成断裂过程区,其大小与材料的破坏有着非常密切的关系。本文通过理论推导求得混凝土和钢筋混凝土的微裂区和断裂过程区,并分析不同参数对微裂区和断裂过程区的影响,主要工作如下:(1)基于虚拟裂纹模型,应用Muskhelishvil应力函数全场解,根据幂指数函数描述的混凝土拉应变软化模型导出的断裂过程区(FPZ)过程值及临界值的解析表达式,分析了在最大拉应变强度理论下软化指数对断裂过程区过程值及临界值的影响。将不同泊松比下软化指数对应的断裂过程区过程值及临界值进行比较。(2)基于Westergaard应力函数二阶弹性局部解,得出了裂纹尖端应力分量、应变分量和位移分量的表达式,推导了在最大拉应力强度理论和最大拉应变强度理论下的裂纹尖端微裂区的轮廓线和特征尺寸的表达式,然后采用幂函数模型描述的应变软化模型,得出了在两种破坏强度理论下考虑混凝土应力松弛影响的断裂过程区的解析表达式,并将基于Westergaard应力函数一阶弹性解、Westergaard应力函数二阶弹性解、Muskhelishvil应力函数和Duan-Nakagawa模型确定的断裂过程区临界值进行了比较,最后求得了等效断裂过程区的表达式。讨论了基于Westergaard应力函数二阶弹性解得到的结果的准确性,分析了泊松比和软化指数对断裂过程区的影响。(3)基于Muskhelishvil应力函数全场解,针对沿裂纹延长方向有压应力、垂直于裂纹方向上施加拉应力的无限大中心裂纹平板,应用修正的莫尔强度理论确定了混凝土裂纹微裂区临界值的解析表达式,根据幂指数函数描述的混凝土拉应变软化模型导出了断裂过程区临界值的解析表达式,讨论了压应力和材料的拉压强度比对混凝土裂纹微裂区临界和断裂过程区临界值的影响。(4)基于Westergaard应力函数裂纹尖端二阶弹性解,得出了裂纹尖端应力分量、应变分量和位移分量的表达式,推导了钢筋混凝土无限大板I型裂纹在最大拉应力强度理论和最大拉应变强度理论下的裂纹尖端微裂区的轮廓线和特征尺寸的表达式,然后采用幂函数模型描述的应变软化模型,得出了在两种破坏强度理论下考虑混凝土应力松弛影响的断裂过程区临界值rpc的解析表达式,分析了钢筋面积、钢筋位置、泊松比对裂纹两尖端的微裂区尺度r和断裂过程区临界值rpc的影响。讨论了软化指数对断裂过程区临界值rpc的影响。
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