基于三点弯曲切口梁试验的混凝土软化本构关系研究

【摘要】： 由Hillerborg等人提出的虚拟裂纹模型(FCM)可以很好描述混凝土裂纹尖端断裂过程区的力学性能。混凝土软化曲线反映了混凝土材料在达到抗拉强度f t后,其剩余强度与表观变形之间的关系,是虚拟裂纹模型的重要内容。本文采用逆分析的方法,由三点弯曲切口梁断裂试验研究混凝土材料拉伸软化关系。该方法假定混凝土应变软化关系为某些参数控制的函数表达式,建立误差函数,通过使模拟的荷载-裂纹口张开位移(P-CMOD)曲线与三点弯曲切口梁断裂试验获得的P-CMOD曲线吻合来确定相应的混凝土抗拉软化关系参数。求解中的所有参数均由三点弯曲切口梁断裂试验结果确定,其优点是只需用简便的位移控制试验机完成断裂试验,与单轴拉伸试验相比,试验成功率高、更容易实现。 采用逆分析方法求解混凝土软化曲线同样需要准确的试验数据。由于试验过程受到环境、设备以及人为等因素的影响,试验数据中存在误差,为了提高计算效率,同时也为了使得拟合的数据更加反映真实的情况,必须先对其进行数据平滑和去噪处理,即数据的前置处理,然后才能进行数据的拟合。数据的处理分为三步,第一步将采集的数据的非正值剔除,并将严重偏离其他曲线的无效试件剔除,第二步把各组剩余的有效伴随试件P-CMOD曲线平均成一个有代表性的曲线,上升段及下降段分别采用100点代表,最后将各组P-CMOD曲线的上升段和下降段分别采用7段和13段进行拟合,作为逆分析的输入数据,试验数据的拟合采用Marquardt–Levenberg优化方法。 混凝土三点弯曲切口梁断裂过程为平面应力问题,通过自行编译的Fortran有限元程序,对三点弯曲切口梁的断裂过程进行数值模拟,并对混凝土软化曲线参数进行优化。为了提高运算效率,减少结构的自由度,建模时采用对称结构的一半进行。 基于断裂功和逆分析方法的混凝土断裂能吻合较好,逆分析获得混凝土抗拉强度f_t比直接拉伸试验获得的值要大,而断裂能G_F与直接拉伸试验值相比略小。逆分析获得的混凝土最大裂缝张开宽度wc和断裂能G_F均有着随骨料粒径的增加而呈增加趋势,抗拉强度f_t在骨料粒径达到一定值后,出现了下降的趋势,但是这种趋势不是很明显。随混凝土强度的增加,抗拉强度f_t呈增大趋势,最大裂缝张开宽度w_c和断裂能G_F随混凝土强度的增加而减小。逆分析获得的混凝土断裂能存在尺寸效应,断裂能随试件尺寸的增加而增加,当梁高增加到一定高度以后,断裂能不再增加,同时逆分析获得的抗拉强度f_t受试件尺寸的影响不明显,且不同梁高混凝土软化曲线的初始段相似,最大裂缝张开宽度有着和断裂能相似的变化规律,这在一定程度上可以解释混凝土断裂能存在尺寸效应的现象。