田 肖 陳升平 李航宇 張建波
(湖北工業(yè)大學建筑與環(huán)境學院 武漢 430068)
混凝土作為當今世界上最常用的工程材料,在外界條件影響下常常產(chǎn)生裂縫。大部分的裂縫不會對建筑物的正常使用有所影響,但會減少結(jié)構的使用壽命。在普通混凝土里摻入纖維,可有效改善混凝土的這些不足?;鞊蕉喾N纖維能使纖維相互協(xié)調(diào),相互彌補,可更好的提高混凝土結(jié)構的韌性和使用壽命。筆者選用的鋼纖維和玄武巖纖維的材料性質(zhì)有很大差異,因此將不同性質(zhì)和尺寸的鋼纖維和玄武巖纖維混雜摻入混凝土后,二者將會發(fā)揮協(xié)同作用。目前有兩種材料參數(shù)可用于估計纖維混凝土的增韌效果。一種是纖維混凝土的斷裂韌度,另一個是纖維混凝土的斷裂能。由于試驗中的裂縫寬度遠小于所使用纖維的長度,且斷裂能又與纖維拔出和脫粘密切相關,所以在纖維混凝土結(jié)構或構件的設計過程中,斷裂能的作用是非常有限的。因此,設計者往往會關心基體開裂后在允許的裂縫寬度范圍內(nèi)(如0 mm~2 mm)拉應力與裂縫寬度的關系。這一關系可以由直接拉伸法來獲得,但是試驗難度過大,現(xiàn)在主要使用三點彎曲得到的P-CMOD曲線結(jié)合反分析法來獲得。
近年來,大量國內(nèi)外學者都對纖維混凝土斷裂特性進行了研究。羅素蓉,林揚興[1]等人通過三點彎曲梁斷裂試驗得出,在體積摻量為0.2%的PVA纖維與體積摻量為1.0%的鋼纖維混雜時混雜效應較優(yōu),對高強混凝土各項斷裂性能的改善效果最為理想。
馬銀華[2]等人選用幾種不同類形、不同規(guī)格的纖維,對帶切口的單摻或混摻纖維混凝土試件進行了三點彎曲試驗和數(shù)值模擬,并與素混凝土試件進行了對比。研究表明,普通鋼纖維,超細鋼纖維,PVA三元混雜纖維混凝土斷裂能增加了1632%,斷裂韌度增加了44.76%,臨界裂縫張開位移增加了37.87%,且荷載與裂縫張開位移曲線更加飽滿,峰值荷載后出現(xiàn)屈服平臺現(xiàn)象,其中部分曲線在下降段甚至再次上升而出現(xiàn)了二次峰值現(xiàn)象,表現(xiàn)出良好的抗裂性能和韌性。
Ali Nour,Bruno Massicottc[3]等人利用反分析法,根據(jù)試驗的荷載位移曲線,對鋼纖維混凝土的拉伸軟化曲線進行了研究,并將軟化曲線近似為三折線,模形計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合。
Stefie J. Stephen[4]等人采用多線性拉應力—裂縫張開位移軟化曲線模形,結(jié)合全局優(yōu)化算法,得出了載荷與裂縫張開位移曲線的最佳擬合參數(shù),建立了由拉應力與裂縫張開位移曲線表示的拉伸本構關系。為研究鋼—玄武巖混雜纖維混凝土的斷裂特性,本文通過劈拉實驗和三點彎曲實驗得出了各組混凝土的劈拉強度和P-CMOD曲線,再結(jié)合雙線性軟化曲線模形,反分析建立了鋼—玄武巖混雜纖維混凝土的雙線性軟化關系。
(1)水泥:華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料:級配Ⅱ區(qū)中砂,細度模數(shù)為2.5到3.0之間;
(2)粗骨料:粒徑5 mm~20 mm,清洗后含泥量少于1%;
(3)粉煤灰:鞏義市鉑潤耐火材料有限公司生產(chǎn)的一級粉煤灰;
(4)減水劑:聚羧酸高性能減水劑;
(5)水:普通自來水;
(6)鋼纖維:華源金屬生產(chǎn)的端鉤形鋼纖維;
(7)玄武巖纖維:海寧安捷材料生產(chǎn)的短切玄武巖纖維。
按“普通混凝土配合比設計規(guī)程”制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊,強度等級為C30的普通混凝土、鋼纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土以及鋼—玄武巖混雜纖維混凝土,澆筑完成24 h后拆模,養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后測其抗壓強度和劈拉強度,每組試驗測試6個試件,共16組,合計96個。制作了100 mm×100 mm×400 mm鋼—玄武巖混雜纖維混凝土梁,在跨度中央預制一條寬4 mm左右、深30 mm的裂縫,共48根,在微機控制電子壓力試驗機上進行三點彎曲試驗。
斷裂能是計算雙線性軟化曲線參數(shù)的關鍵。一般采用荷載—撓度曲線圖來計算混凝土的斷裂能。但是在采用三點彎曲法獲得混凝土梁的荷載—撓度曲線對伺服試驗機以及試樣的尺寸和試驗加載裝置要求較高。所以世界著名混凝土專家美國西北大學Shah教授提出采用P-CMOD曲線來代替P-δ曲線來近似計算斷裂能的想法,并驗證了這一想法。
混凝土梁在斷裂過程中產(chǎn)生的斷裂功W是由荷載P在跨中產(chǎn)生的彎矩M1和梁自重在跨中產(chǎn)生的彎矩M2組成。余啟春,陳紅鳥將荷載P和轉(zhuǎn)角θ為CMOD的函數(shù),分別記為f(CMOD)和g(CMOD),得出荷載所做的功為
①
式中:CMOD0表示梁的旋轉(zhuǎn)角為θ0時對應的裂縫口張開位移;m表示梁的質(zhì)量;g表示重力加速度。
可以通過下式計算得出斷裂能。
②
式中:Gf表示斷裂能;P表示施加在試件上的總荷載;S表示試件梁的跨度;a0表示預制裂縫長度;D表示試件的高度;B表示試件的厚度;(D-a)B表示斷裂面的投影面積;W表示總荷載所做的功。為能使斷裂能的計算更加簡便,本文通過關系式Y(jié)=a1X6+a2X5+a3X4+a4X3+a5X2+a6X+a7擬合P-CMOD曲線,然后代入式①,②。可計算得出各組試件的斷裂能。鋼—玄武巖混雜纖維對混凝土斷裂能的增強效果顯著且強于單摻纖維,具有良好的協(xié)同效應。當摻入定量的玄武巖纖維時,隨著鋼纖維摻量的增加,鋼—玄武巖混雜纖維混凝土的斷裂能也隨之增加。當鋼纖維摻量一定時,隨著玄武巖纖維摻量的增加,鋼—玄武巖混雜纖維混凝土的斷裂能呈現(xiàn)先增后減的趨勢。這是因為隨著纖維摻量的增加,纖維之間就會結(jié)團,相互纏繞,在攪拌混凝土時會出現(xiàn)較大的孔隙,從而影響混凝土的斷裂能。當鋼纖維摻量為1.6%,玄武巖纖維摻量為0.1%時,鋼—玄武巖混雜纖維混凝土的斷裂能值最大為2 020 N/m。
在Ⅰ形裂縫條件下,當混凝土的應力強度因子KⅠ達到臨界值KⅠC時,裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展,這個臨界應力強度因子KⅠC稱為斷裂韌度,它也是用來表征混凝土斷裂特性的重要參數(shù)之一。本文對比分析了各組混凝土的斷裂韌度?;炷翑嗔秧g度采用美國材料與試驗學會建議的斷裂韌度KⅠC計算公式。
在分析混凝土斷裂行為時,軟化曲線的形式是虛擬裂縫模形的重要內(nèi)容。根據(jù)虛擬裂縫模形的假設,在拉應力作用下,混凝土的開裂及裂紋擴展過程中的本構關系如下:在非開裂區(qū),開裂前、后均為線彈性的應力—應變關系。在開裂區(qū)采用非線性的拉應力—裂紋張開位移關系。這兩種本構關系含有的材料參數(shù)如下:彈性模量E,抗拉強度和拉應力與裂縫張開位移關系,其中拉應力與裂縫張開位移關系即為本文所關注的軟化關系。由于混凝土是一種準脆性材料,其軟化曲線是一條復雜的光滑曲線,為了研究混凝土材料斷裂特性的方便,國內(nèi)外學者提出了各種簡化的軟化曲線形式,其描述函數(shù)包括線性函數(shù)、雙線性函數(shù)、三線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)及冪函數(shù)等。
③
該模形只需要確定兩個參數(shù)斷裂能Gf和抗拉強度ft,這兩個參數(shù)均能通過試驗得出。
式中,σ1是轉(zhuǎn)折點1處的應力值;w1轉(zhuǎn)折點1處的裂縫張開位移;wc為臨界裂縫張開位移。
本文采用ABAQUS來模擬混凝土的三點彎曲試驗,利用反分析法確定雙線性軟化關系的參數(shù)。在反分析過程中,通過對比模擬的P-CMOD曲線與實測P-CMOD曲線在0 mm~2 mm之間圍成的面積對軟化參數(shù)進行一步步搜素,當模擬的P-CMOD曲線和實測曲線之間的離散值e達到最小的時候,所對應的值便為模擬的軟化曲線參數(shù),e的計算公式如下
④
式中Aexp和Anum分別是試驗與計算得到的P-CMOD曲線與水平軸在0 mm~2 mm之間圍成的面積。
建模時,網(wǎng)格劃分起著非常重要的作用,它直接影響著計算的精度和運行的快慢。本文在網(wǎng)格劃分時采用由密到疏的方式,使得遠離裂紋處的單元網(wǎng)格相對稀疏,就可以確保計算結(jié)果在保證精度的前提下,有效減少有限元節(jié)點數(shù)目,進而加快運算速度。
對于鋼—玄武巖混雜纖維混凝土,當摻入定量的鋼纖維時,隨著玄武巖纖維的增加,W1和Wc值也隨之增大。
相較于普通混凝土,所有纖維混凝土的荷載—裂縫張開位移曲線都更加飽滿。當鋼纖維摻量一定時,隨玄武巖纖維摻量的增大,鋼—玄武巖混雜纖維混凝土試件的荷載—裂縫張開位移曲線與坐標軸的包絡面積上大多數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢。但當鋼纖維體積率為1.6%,玄武巖纖維體積為0.15%時,混凝土的峰值荷載和荷載—裂縫張開位移的包絡面積均小于鋼纖維體積率為1.6%,玄武巖纖維體積為0.1%的混凝土。這是因為纖維摻量較高時,纖維會結(jié)團導致水泥漿液不足以完全包裹纖維而影響了混凝土的韌性。
本文主要研究結(jié)論如下:
(2)反分析得到的P-CMOD曲線和試驗測得的P-CMOD曲線兩者吻合較好,說明采用雙線性軟化曲線來對鋼—玄武巖混雜纖維混凝土進行數(shù)值模擬是可行的。