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[概念]浅谈混凝土结构/构件性能试验指标概念(二)

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【写在文前】

    上期【JY】浅谈混凝土结构/构件性能试验指标概念(一)中从“定量”的角度对混凝土结构/构件的试验指标进行探讨,本期主要从“定性”的角度对混凝土结构/构件与大家进行交流,即从探讨试验过程中试件的损伤发展。

【损伤机理概念】

    首先我们得明确何谓损伤?在工程材料制造过程中,会在材料内部产生各种微缺陷。在工程结构使用过程中,这些微缺陷会在各种外部作用下进一步扩大或发展,从而导致材料与结构宏观力学性质的劣化。在细观水平上,材料的缺陷(如微裂缝、微孔洞)称为“损伤”

    下图描述了典型的工程材料受力力学性质。其中,图(a)表示弹塑性材料的典型特性。这类材料在卸载时,存在不可恢复的应变或称为塑性应变,但卸载-再加载过程总是沿着与应力应变曲线初始切线平行的直线进行。换句话说,卸载-再加载的刚度没有随应变的增加而变化,材料的非线性归因于塑性应变的存在。与之相对照,图(b)描述了弹性损伤材料的典型性质。这类材料在卸载后,可以完全回到无应力和无应变状态,没有塑性变形的产生。但是,卸载-再加载的斜率随应变的增加而减小。材料的非线性由材料内部的损伤及其演化引起,在表观上,即表现为卸载-再加载刚度的退化。

    可看文章:【JY】浅谈混凝土损伤模型及Abaqus中CDP的应用

    真实材料的变形性质,往往是(a)、(b)两种机制的结合,既有刚度退化,又有塑性变形的存在,如图(c)所示。表现在细观物理机制上,则既存在微裂缝、微缺陷的扩展,又存在与具体材料变形细观机理相联系的滑移与流动。因此,正确的混凝土受力本构关系应该同时反映弹性损伤和塑性变形两种机制。

 

    混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、各类掺和料组成的复合材料。然而,混凝土骨料和砂浆的结合部分存在界面过渡区,砂浆的水灰比较大,会产生微孔洞和缺陷,混凝土的细观断裂也正是始于此处。

    在外力作用下,这些初始损伤因应力集中进一步发展,从而导致材料单元的应力、应变关系逐步偏离线性关系,呈现出非线性的基本特征。当损伤发展到一定程度,即我们肉眼可观察到的裂缝等。混凝土的损伤分布和损伤演化过程具有随机性的特征,但从损伤分布中我们可以判断出结构的受力特征,这也是本期我们所讨论的。

【损伤基本模式】

    外力作用下细观单元体内微裂缝的扩展是损伤演化的主要原因。根据细观单元内部微裂缝变形模式及其作用应力形式的不同,可以将损伤分为两种基本模式:

    (1) 受拉损伤。在垂直于裂缝方向的拉应力作用下,裂缝端部产生应力集中,使得裂缝沿着原来的走向扩展,同时,微裂缝产生张开位移,使得拉应力方向上产生附加应变,弹性模量减小,由此产生的损伤称为受拉损伤。在平行于裂缝方向的压应力作用下,裂缝端部产生的应力为有限值,且产生的损伤本质上属于受拉损伤。

    (2) 受剪损伤。在剪应力作用下,裂缝端部产生应力集中,使得裂缝产生扩展,同时,微裂缝两侧产生相对滑移,使得剪应力方向上产生附加应变,剪切弹性模量减小,由此产生的损伤称为受剪损伤。

 

    为了从本质上理解损伤产生、发展的内在物理机制,从包含一条竖直微裂缝的细观单元入手。基本的微裂缝位移模式有两种:张开和滑移,基本的应力作用模式有正应力和剪应力。为考察损伤与应力作用机制的联系,需要对不同应力模式与对应的裂缝位移模式进行研究。

①平行于裂缝的正应力作用下

    弹性力学的复变函数理论解析解得知,在平行于裂缝方向上的远场正应力作用下,裂缝端部平行裂缝方向的正应力与远场应力相同。若正应力为拉应力,则对裂缝的扩展没有明显作用,也不会引起裂缝的张开或者滑移;若正应力为压应力,则在平行于裂缝方向不会产生损伤。在垂直方向所产生的应力仅为有限的拉力,不会产生明显的应力集中。在应力增加时,这一拉应力有可能造成裂缝的进一步扩展,属于受拉损伤。此外,裂缝两侧没有相对位移,不会引起细观单元刚度减小。

②垂直于裂缝的正应力作用下

   若正应力为压应力,在应力增加时,裂缝将闭合,不会引起进一步的损伤。若正应力为拉应力,则会引起裂缝端部的应力集中,导致裂缝的进一步扩展,裂缝的扩展正是损伤的演化,从而导致细观单元的刚度衰退。

③剪应力作用下

在剪应力作用下,裂缝端部同样会产生应力集中,导致裂缝进一步开展和相对滑移,导致细观单元刚度退化。

【结构/构件损伤分析】

    对单向应力状态下,裂缝的发展我们已做了梳理。但在实际情况中,结构/构件往往处于多向复杂应力状态下。在掌握了在不同应力作用下的损伤发展机理的情况下,以下我们可以更好地了解在压弯剪共同作用下的损伤分布及发展,以更好地了解结构/构件的力学性能。由于试验中一般控制试件的平面外自由度,所以我们主要从二维角度进行分析。笔者通过几种典型混凝土结构/构件试验进行详细叙述

① 柱轴压及大偏压试验

首先以短柱轴压为例,柱受到轴压力时,柱身四周的初始竖向裂缝会不断开展,最终会以混凝土的压缩而破坏,该损伤属于受拉损伤。

    短柱大偏压加载与轴压试验略有不同,针对于某截面,轴压力使得全截面受压,弯矩作用使得一端受拉,一端受压,受拉侧拉应力大于压应力,使得初始水平裂缝得以开展;而受压侧压应力增大,使得混凝土竖向裂缝开展,最终被压碎。

②梁柱节点拟静力试验

    梁柱节点是框架结构重要部位,笔者针对现浇节点在不同破坏形态下损伤发展作详细叙述。第一种为受弯破坏,出现在“弱梁”的节点中。以加载方向上拉为例,取某截面中的微元体,受拉区分为1、2、3、4区域,分别处于纯拉、拉剪、纯剪和压剪受力状态。处于受拉侧边缘的微元体1,其拉应力最大,剪应力为零,所以梁身首先出现竖向裂缝;位于中和轴的微元体3,其正应力为零,剪应力最大,主拉应力与梁轴线成45°角,因此梁轴线处出现45°斜裂缝;微元体2位于微元体1和3之间,处于拉剪混合应力状态,主拉应力与梁轴线夹角小于45°,由于拉应力存在,主拉应力增大,主压应力减小,因此微元体2处出现斜裂缝,斜裂缝夹角大于45°;微元体4处于压剪区,主拉应力与梁轴线夹角大于45°,由于压应力存在,主拉应力减小,主压应力增大。

    由于混凝土抗拉强度很低,因此随着荷载的增加,首先在拉应力最大的边缘处出现竖向裂缝,随后在弯剪混合作用下,竖向裂缝向轴线倾斜发展,形成弯剪型裂缝。斜裂缝的出现和发展使得梁内应力分布和数值发生变化,最终在梁端受压区域,混凝土被压碎而失去承载能力。

    第二种为核心区剪切破坏,出现在“弱柱”的节点中。由于梁刚于柱,因此损伤主要集中在节点核心区。加载时,节点核心区处于压弯剪共同作用下,由于剪切作用明显,主拉应力于梁轴线近似成45°角,正应力的数值远远小于剪应力,对主拉应力方向影响较小,因此裂缝成斜向开展,严重时混凝土有块状脱落箍筋外鼓而破坏,此为脆性破坏,对耗能不利,影响节点抗震性能。

③ 剪力墙拟静力试验

    在拟静力试验中,剪力墙处于压弯剪共同作用。对于压弯破坏的剪力墙而言,其裂缝开展机理于弯曲破坏的梁柱节点相似,位移受拉边缘处的微元体处于单向受拉状态,初始水平微裂缝得以开展,如微元体1。随后在拉剪作用下,裂缝斜向发展,如微元体2,最后裂缝在剪力墙轴线处与轴向成45°分布,此处受纯剪作用。剪力墙角部混凝土在压应力作用下被压溃。

    对于剪切破坏的剪力墙而言,其裂缝开展形态通常为交叉斜裂缝。由于剪切作用显著,主拉应力方向大致与墙轴线成45°角,正应力数值较小,对主拉应力方向影响不大。此同样为脆性破坏,常出现于高宽比较小的墙体中。

【结语】

本期主要对实验室中结构/构件的损伤机理,以及一些实例进行讲解。对结构/构件损伤的理解不应是“公式”式的,应对于实际情况进行分析,以判断结构/构件在力场下是否像预期那样破坏。在掌握了根源之后,我们相信对其进行“定性”及“定量”的分析也就显得游刃有余。

下期再见!

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