混凝土_型裂缝扩展准则和裂缝扩展全过程的数值模拟.pdf

水 　　利 　　学 　　报 　2007 年 12 月 SHUILI 　　XUEBAO 第 38 卷 　第 12 期 ( ) 文章编号 2007 混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟 1 1 2 1 吴智敏 , 董 　伟 , 刘 　康 , 杨树桐 ( 1 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 ; 2 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 :A 1 　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 都以等效断裂韧度 KS (亦即失稳断裂韧度 Kun ) 对混凝土的裂缝临界状态进行判定。但 KS 仅能反映混 IC IC IC 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 凝土开裂及开裂后裂缝亚临界扩展进行了研究。徐世　等[4 ,5 ] 提出了双 K 断裂准则以描述混凝土裂缝 的不同状态 ,该准则应用起裂断裂韧度 Kini 和失稳断裂韧度 Kun 来分别描述裂缝的起裂和失稳两个状 IC IC [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 等[7～10 ] 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 法得到裂缝扩展的全过程。为此 ,学者们采用分布裂缝模型[11 ] 和离散断裂模型[12 ] ,并与黏聚力模型相 结合 ,对混凝土断裂过程进行模拟[13 ,14 ] 。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 ,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 度因子 K 与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子 K