商业化学混凝土动裂纹位置对态破坏的影响

贾世欣

【摘要】混凝土类非均匀脆性材料一般是带裂缝工作，其破坏过程为微裂纹的萌生、扩展和串级直至破坏，裂紋的初始形态特征对混凝土类脆性材料的最终最终破坏模式、强度及机理有着重要影响。在实际工程结构中，裂纹存在的位置和角度等通常呈现随机分布状态，具有不确定性。综合的理解裂纹形态的影响和作用，对实际工程的设计和失效过程的认识十分必要。所以，对单个裂纹在不同位置时混凝土类材料的破坏过程和特征的充分的认识和理解，，尤其是对不同初始裂纹位置时，裂纹的发展演化特征及其对破坏模式、强度等的影响的认识和理解，对于实际工程的安全和设计具有重要的实际意义。

【关键词】裂纹位置；混凝土；动态破坏；影响

本文主要关注混凝土材料在不同初始裂纹位置时的损伤演化诱发宏观破坏的机理和规律，着重于对包含不同位置初始裂纹试样的细观斑图演化动力学过程的分析研究。研究裂纹位于不同位置时试样的损伤斑图演化特征及由此引起的应重分布、强度变化、极限应变和能量耗散的变化特征。而其内在机理就在于不同裂纹分布位置导致损伤斑图演化的不同。混凝土类非均匀脆性材料一般是带裂缝工作，其破坏过程为微裂纹的萌生、扩展和串级直至破坏，这类材料在压缩荷载作用下的裂纹扩展和损伤演化特征受到广泛关注。

而裂纹的初始形态特征对试样的最终破坏特征有着重要影响。岩石单轴压缩试验表明裂纹的起裂应力与预制裂纹的倾角密切相关，裂纹的起裂应力随着裂纹倾角（预制裂纹与加载方向的夹角）的增大而增加。除裂纹的倾角外，裂纹形态特征还包括裂纹形状[6，7]及多条裂纹间的相互作用等。Reyes 等[8]对含两条平行裂纹的大理石试样进行单轴压缩试验研究，结果表明平行裂纹搭接尺寸对试件的极限失效荷载值具有显著效应。基于含多条预制裂纹的岩石实验观测，表明裂纹的串级类型与裂纹间的相对位置密切相关，最终的失效模式亦不相同。含裂纹试样的轴压强度随着裂纹长度、裂纹条数和倾角的增大而减小。基于此，本文借助 ANSYS-LSDYNA 非线性有限元分析软件，对单轴压缩动态加载条件下，三种典型裂纹分布位置2D混凝土试样的损伤演化的动力学斑图进行详细的对比分析，研究裂纹位于不同位置时试样的损伤斑图演化特征及由此引起的应重分布、强度变化、极限应变和能量耗散的变化特征。 混凝土类非均匀脆性材料一般是带裂纹工作，其破坏过程为微裂纹的萌生、扩展和串级直至失稳破坏，这类材料在压缩荷载作用下的裂纹扩展和破坏特征受到了广泛关注。早在二十世纪早期科研人员就开始对脆性实体材料中预制裂纹的行为特征进行了初步研究。以预制裂纹的岩石混凝土类非均匀脆性材料的构件为研究对象，对其的研究方法分为两种：一种是试验分析；一种是结合有限元软件对含有预制裂纹的试样模型进行仿真模拟分析。早期对裂纹行为特征的分析主要以（修订的）格里菲斯理论（当初始裂纹尖端的拉应力超出材料的分子粘聚强度时裂纹起裂）为基础，分析预制裂纹周围的应力分布情况能够预测裂纹的起裂点和起裂方向；运用格里菲斯理论能够很好地预测单条预制裂纹岩石试样在轴压作用下裂纹的起裂应力。然而，随着人们对格里菲斯理论深入认识逐渐发现其虽能预测单条裂纹的起裂，但不能确定裂纹的扩展路径，而且对于多条裂纹间的相互作用没有给出相关理论，故需要进一步探索更贴近实际的裂纹基础理论。此外，国外学者也对预制裂纹试样在压缩试验过程中的裂纹形态特征对试样的影响进行了分析。Reyes 等对含两条平行裂纹的大理石裂纹试样进行单轴压缩，发现平行裂纹的搭接尺寸对试样的极限失效荷载有显著影响。Dyskin 等选用不同的脆性材料（树脂和水泥砂浆）制作裂纹试样，改变初始裂纹的形状（圆形和椭圆形）和位置，得出初始裂纹的形状对裂纹的扩展影响是微小的和裂纹的相对位置影响试样的破坏机理，Bobet 等人以一系列含有三条和十六条平行预制裂纹的石膏试样为试验对象，对其进行单轴压缩，得出了裂纹的起裂应力随着裂纹倾斜角（以加载方向为零角）、裂纹间距、等几何特征的增加而增加，而随着裂纹条数的增加而减小；串级应力随着裂纹倾斜角的增大而减小；和串级类型与平行裂纹倾角、相对位置等因素密切相关。Park 等人对含三条预制平行裂纹的石膏试样进行单轴压缩，得出翼型裂纹的平均起裂应力小于次级裂纹的起裂应力，这种差异随着裂纹倾角的变小而减小。

相比于国外的研究发展历史，国内对非均匀脆性材料中裂纹试样相关特性的研究时间相对较短，但随着科技的不断进步，国内自身试验设备的不断改进、理论知识的不断完善，加上参考国外的研究成果，对裂纹的研究水平有了飞速提高并取得了可靠的研究成果。对研究非均匀脆性材料的裂纹扩展的数值模拟的方法概括分为连续法和非连续法。对于连续法应用较为广泛的有有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、无网格伽辽金法等。如自适应网格有限元模拟：郭素娟等使用自适应有限元模拟，结合最大周向应力的破坏准则，模拟了二维平面应变单元边缘裂纹试样的扩展过程；Li 等使用 RFPA2D 有限元软件模拟了含单条、两条的大理石裂纹试样在压缩荷载作用下裂纹的发展过程；周小平等人[36]采用扩展有限元法，结合罚函数的破坏准则，建立了压应力状态下的裂纹扩展方法，并对含两条预制平行裂纹的岩石类模型进行数值模拟，并得出了其裂纹扩展过程与试验基本吻合。对于非连续法，当前应用较为广泛的是非连续变性分析法（DDA）、离散单元法（DEM）、数值流形法（NMM）等。

从以上研究进展的分析可以看出，预制裂纹的初始形态特征例如裂纹形状、条数、倾角、多条裂纹间相互作用等影响试样的力学性能特征如强度、弹性模量、极限应变值等，破坏时裂纹的串级类型，试样最终的破坏模式。综合理解预制裂纹形态的影响和作用，对实际工程的设计和工程构件的使用检测十分必要。所以在理解裂纹倾角、多裂纹相互作用及裂纹形状的基础上，对单条裂纹处于试样不同位置引起的破坏过程和裂纹扩展特征有更充分地认识和理解。混凝土工程结构在实际的使用寿命期间，除了承受速度变化缓慢的（准）静态荷载外，不可避免地要经受各种变化（加）速度剧烈的动态荷载的作用。例如在抗震安全评估中，所要考虑的因素不仅有结构整体动力效应，还要分析加载速率对工程材料力学性能的影响。然而，动态试验本身的复杂性及当前对混凝土材料动力性能研究成果的不完整性，以往的成果更多是注重加载速率对材料强度的影响，随着数值模拟技术的进步，有限元分析不再是以得到令人满意的结果为唯一目的，更要求对构件整个发展过程进行全程分析，故这种日渐成熟的有限元模拟技术对材料的破坏过程进行研究成为主要的研究工具之一。所以本文借助有限元分析软件，在以往的研究基础上，以含单条预制裂纹的2D混凝土试样为研究对象，模拟了其在单轴压缩条件下，试样的破坏过程。分析了三种典型预制裂纹分布情况下混凝土试样损伤演化的动力学斑图；研究裂纹位于不同位置时试样的损伤斑图演化特征及由此引起的应力重分布、强度变化、极限应变和能量耗散的变化特征；探寻损伤演化诱发宏观破坏的机理。