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轻骨料混凝土的断裂试验和模拟研究

姜胜涛  
【摘要】:轻骨料混凝土轻质高强并且具有良好的变形性能,由于内部多孔,其保温作用显著,质量轻的特性也使得其抗震性能优良,被广泛用于高层民用建筑、大胯桥梁以及其他复杂工业建筑。另一方面,由于轻骨料混凝土内部多孔的特性,在外部荷载或温度等作用下,混凝土构件产生的微裂纹贯通速度很快,很容易形成宏观裂缝,发生断裂,所以为了避免这种事故的发生并进一步了解轻混凝土的基本性能和破坏机理,研究轻骨料混凝土的断裂特性是十分必要的。但由于混凝土材料的复杂性,往往仅依靠实验是无法很好的得到轻骨料混凝土的损伤破坏机理以及裂纹扩展规律,而近些年来数值模拟试验的发展很有效的解决了这个问题。本文利用三点弯曲梁试验,对不同骨料体积率以及不同骨料强度的轻骨料混凝土进行了断裂试验,并对材料力学性能进行测量;另一方面,通过随机骨料投放模型与基于耦合准则(CC)的有限断裂模型对接,建立有限损伤断裂细观力学模型,并将砂浆和骨料的基本力学性能参数代入模型,通过数值模型模拟不同骨料强度、不同轻骨料体积率的混凝土梁断裂全过程,真实再现梁在弯曲状态下的损伤-断裂过程,分析不同材料的损伤破坏机制,得出以下结论:1.首次将Coupled Criterion的有限元损伤断裂模型用于轻骨料混凝土材料的断裂数值模拟中,对不同骨料体积率和不同骨料强度的轻骨料混凝土三点弯曲梁受拉断裂过程进行了分析,模拟结果和试验对应的很好,表明了该有限元损伤断裂程序能够准确的反映轻骨料混凝土的损伤—断裂全过程。2.骨料的力学性能比砂浆混凝土差,裂缝扩展是从骨料较轻的薄弱区域开始的。但随着骨料力学性能的提高,裂缝会围绕骨料向砂浆中扩展,路径会增大,能耗会增大,梁的承载力也会增加;700级页岩陶粒力学性质弱于砂浆,不论骨料体积率如何改变,裂纹均会从骨料穿过,但随着骨料体积率的减小,裂纹需要克服更多的砂浆区域进行发展,消耗的能量增多,梁的承载力增大。3.轻混凝土断裂过程中,大部分能量消耗于损伤和断裂,其中损伤消耗的能量随着轻骨料体积率的增大而减小;宏观裂纹扩展消耗的能量随着轻骨料体积率的增加有先增大后减小的趋势,在砂浆中添加一定体积率(15%左右)的轻骨料可以增加宏观裂纹扩展耗能U_(crack);在骨料体积分数为40%的前提下,轻骨料力学性能的提高将增加损伤能和宏观裂纹扩展耗能,但总裂纹长度将减小。


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