持载条件下混凝土断裂性能与裂缝扩展过程研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cjing010
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对于以断裂破坏为主导的混凝土结构物,如重力坝,混凝土材料的粘弹性性能及裂缝扩展决定了结构物在持续荷载作用下的变形,进而影响其服役期的安全性及耐久性。由于混凝土抗拉强度较低,施工及正常运行过程中结构物内不可避免地会产生微裂缝。在低水平荷载持续作用下(一般认为小于30%峰值荷载),裂缝处于稳定状态,混凝土中宏观裂缝不会扩展并引发结构物的破坏,结构物的变形由混凝土粘弹性性能控制,此时结构物中的徐变是线性的。在高水平荷载持续作用下(高于起裂荷载,约65%峰值荷载),结构物中裂缝扩展形成新的断裂过程区,裂缝扩展与混凝土粘弹性特性相互作用使结构物产生非线性徐变,甚至可能引发结构物断裂破坏。因此,研究持续持载条件下混凝土时变断裂行为,分析持载作用对混凝土断裂性能的影响具有重要的理论和实践意义。基于上述分析,本研究开展了持续荷载作用下混凝土时变断裂行为研究,分析低荷载水平作用对混凝土断裂性能的影响及高水平荷载持续作用下裂缝扩展,具体工作及主要结论如下:(1)开展了中(60%Pmax、起裂荷载)、低(30%Pmax)水平荷载持续作用下混凝土缺口梁的徐变及徐变恢复试验,并对徐变及徐变恢复后混凝土的断裂性能进行分析。同时引入可以考虑应力松弛的徐变模型对混凝土梁的徐变、徐变恢复及接下来的准静态断裂过程进行数值分析。结果表明,徐变和徐变恢复作用后混凝土梁起裂荷载和峰值荷载均有明显的增加,且荷载增加幅度随荷载水平的增加逐渐增大,随恢复时间的增加逐渐减小。在考虑徐变过程中混凝土缝尖产生的应力松弛影响后,持续荷载作用对混凝土双K断裂韧度没有影响。(2)针对持续荷载作用下混凝土裂缝时变扩展问题,开展了高水平荷载(90%Pmax、95%Pmax)持续作用下混凝土梁持续加载试验。同时通过考虑持续荷载下缝尖应力和断裂过程区的粘弹性特性,建立了以起裂断裂韧度为扩展准则的混凝土时变裂缝扩展数值计算模型;分析了不同荷载水平下混凝土裂缝时变扩展行为。研究发现混凝土在持续荷载作用下存在临界荷载水平,当持续荷载大于临界荷载水平时,混凝土将发生破坏;裂缝扩展率及CMOD增长率曲线上的拐点是预测持续荷载下混凝土失效重要的特征;裂缝扩展率拐点的所对应的裂缝长度等于静载条件下混凝土临界裂缝长度。(3)开展了不同荷载水平(60%Pmax、70%Pmax、80%Pmax)和不同持续加载时间(3、6、12个月)作用下混凝土梁的持续加载试验,持载试验结束后通过准静态断裂试验分析荷载水平和持载时间对混凝土断裂性能的影响。同时使用数值计算分析持续荷载下混凝土时变行为对混凝土断裂性能的影响。结果表明,与伴随试件相比,持续荷载作用后混凝土梁起裂荷载峰值荷载明显增大,且荷载增量随荷载水平的增大逐渐增大,随持续加载时间的增加逐渐减小。在某些高水平荷载(70%Pmax、80%Pmax)持续作用下,混凝土梁可以带裂缝保持稳定,且裂缝扩展没有削弱混凝土梁的峰值荷载。(4)开展了中(60%Pmax)、高(80%Pmax)水平荷载下混凝土梁的持续加载试验,持载后后准静态断裂试验中,采用数字图像相关法对混凝土断裂过程区演化过程进行研究。通过与准静静态荷载作用对比,分析持载作用对混凝土裂缝扩展及断裂过程区演化规律的影响。结果表明,中等荷载水平作用对裂缝扩展及断裂过程区的演化没有明显影响;在高水平荷载持续作用下,混凝土中裂缝显著形成。持载后当荷载增至峰值荷载时,裂缝扩展长度与伴随试件临界裂缝长度接近。(5)基于本研究中提出的持续荷载下混凝土时变裂缝扩展数值计算方法,分析了重力坝在低(小于46.7 m)、中(50 m、52.5 m)、高(55 m)三种不同水位高度和不同持续加载形式(徐变、徐变恢复)下的时变行为,并对持续荷载下未发生破坏的重力坝进行剩余承载力评估。结果表明,在低水位持续作用下,重力坝中不会有裂缝产生,且持续荷载作用后剩余承载力增加明显;在中等水位持续作用下,重力坝中裂缝扩展,并最终保持稳定;在高水位持续作用下,重力坝中裂缝逐渐扩展,并最终进入失稳状态。
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