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混凝土是一种多项复合材料,其破坏和断裂机理非常复杂。实际结构中的裂纹通常是处于组合应力场作用下,使得裂纹尖端附近的应力场不是单纯的Ⅰ型、Ⅱ型或Ⅲ型,而是Ⅰ、Ⅱ型甚至Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型同时存在,这种裂纹称为复合型裂纹。实际工程中,复合型裂纹大量存在,其中又以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹最常见,因此复合型裂纹的扩展过程成为人们普遍关心的问题。
本文采用10000KN的压力实验机,分别对尺寸为900×200×200mm,1300×300×200mm,1700×400×200mm,2100×500×200mm和2500×600×200mm,初始缝高比为0.2的五种四点剪切梁试件进行了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试验。试验过程中,采用德国进口IMC数据采集系统采集荷载、裂缝口滑动位移(CMSD)值、及测量点应变;采用4个测量范围分别为0~1000kN、0~300kN、0~100kN、0~50kN的BLR-1型荷载传感器测量荷载;采用夹式引伸仪测量裂缝口滑动位移CMSD;用长为5cm和1cm的胶基应变片(采用半桥方式连接)测量试件的起裂荷载,并观测裂缝的走向及裂缝尖端的大致位置。
由于荷载点的挠度δ<,1>、δ<,2>、以及裂缝嘴的滑动位移CMSD是分析混凝土断裂特性的重要参数。本试验通过在试件侧面设置角钢连杆固定位移计,从而在变形δ<,1>、δ<,2>、测量中消除了因支座变形、扭转带来的误差。
根据试验中记录的数据,计算起裂状态下的裂缝尖端应力强度因子,测量起裂角及裂缝扩展轨迹,发现对于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,混凝土裂缝在失稳破坏前,存在着较大的宏观裂缝稳定扩展过程。随着K<,Ⅰ>/K<,Ⅱ>比值的减小,起裂角增大;对于尺寸较大试件(L500,L600)系列,当K<,Ⅰ>/K<,Ⅱ>比值大于2时,起裂角的变化较为平缓。
通过对比分析最大周向正应力准则、比应变能准则和最大拉应变准则,发现试件存在尺寸效应,且K<,Ⅰ>/K<,Ⅱ>较大时,起裂角与最大周向正应力准则、比应变能准则和最大拉应变准则的曲线较接近。随着K<,Ⅰ>/K<,Ⅱ>的减小,起裂角逐渐偏离最大周向正应力准则、比应变能准则和最大拉应变准则的曲线。
在分析混凝土结构的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的稳定性时,需要有一个复合型裂纹的断裂准则。而实际测的实验数据和最大周向正应力准则、比应变能准则和最大拉应变准则这三种理论还存在一定偏差,说明混凝土有自己的断裂机理,需要以后一步探讨研究。