探究鋼筋混凝土構件的尺寸效應研究進展及展望

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受到鋼筋混凝土結構間距、外形、澆筑時間、保護層厚度、以及混凝土強度等相關因素的影響，會導致混凝土結構的力學性能發生明顯的改變。在這一過程當中，鋼筋混凝土構件的尺寸效應造成了相當大的影響。掌握鋼筋混凝土構件尺寸效應發展動態能夠有助于研究混凝土材料以及混凝土與鋼筋共同作用之間的問題。本文即嘗試對鋼筋混凝土構件的尺寸效應問題展開分析與研究。

1 鋼筋混凝土構件尺寸效應理論分析

對于鋼筋混凝土構件而言，與尺寸效應相關的研究理論主要涉及到七種類型：第一類是基于Weibull的尺寸效應統計理論，第二類是基于能量釋放引起的尺寸效應理論，第三類是基于裂紋分析特征引起的尺寸效應理論，第四類是基于材料非均勻性的邊界層尺寸效應理論，第五類是基于擴散現象引起的時間依賴性尺寸效應理論，第六類基于裂紋尖端三維應力奇異性引起的尺寸效應理論；第七類是基于材料本構時間依賴性引起的尺寸效應理論。從鋼筋混凝土構件常規運行工況的角度上，在斷裂尺寸效應重要程度提升的背景之下，后四類尺寸效應理論的的價值不夠突出，對尺寸效應理論的分析應當集中在前三類理論中。當前對以上三類尺寸理論的研究現狀可以分析如下：

(1)基于Weibull的尺寸效應統計理論。尺寸效應理論在概率分析以及試驗研究領域中得到了一定的發展與完善。1926年，Peirce等人在概率分析的基礎之上構建了基于鏈的最弱連接模型，同時對前人所提出的極值統計理論研究內涵以及中心思想進行了分析論證。1939年，Weibull通過概率試驗的方式得出了一個關鍵性的結論，即針對具有極小概率的極小強度的尾分布而言，無法使用當前任何的分布來對該概念進行描述。為了使強度極值分布律得到準確的描述，可采取的方法在于引入一個具有門檻值特點的冪函數律。后來也有相關的研究人員通過引入材料微裂紋下分布概率模型的方式，證實了Weibull所提出的這一研究結果。在以上發展過程當中，最終形成了可適用于結構構件研究領域的基于Weibull的尺寸效應統計理論，認為可以將其作用于以下幾種結構類型：第一是在宏觀裂紋起始位置發生失效的鋼筋混凝土構件結構，第二是失效位置僅引起小斷裂過程區的鋼筋混凝土構件結構(可忽略應力重分布影響)。對于疲勞因素影響下韌性降低的金屬結構而言，這種尺寸效應理論的價值優勢相當突出。但對于鋼筋混凝土構件一類材料而言，該理論仍然處于修正與完善的階段中。

(2)基于能量釋放引起的尺寸效應理論。在有關能量釋放所產生尺寸效應理論的研究工作當中，最具代表性的研究理論應當是由Bazant等人所提出的尺寸效應律研究理論。在Bazant等人所提出的尺寸效應律研究理論當中，關注的重點在于：對于絕大部分的準脆性材料而言，在出現裂紋且裂紋發生延伸擴展的情況下，并不會直接造成破壞。對于典型的混凝土材料、巖石材料、復合材料、以及灌漿土壤等準脆性材料而言，尺寸效應的核心在于：在材料達到最大荷載水平之前，由一個大規模的裂紋或者是一個包含有微裂紋的大斷裂過程區在穩定增長的期間所誘發。關鍵的誘發因素在于：微裂紋取或者是大裂紋在發展過程當中導致材料內部出現應力重分布的問題，其內部所儲存的能量大量釋放。換句話來說，在基于能量釋放引起的尺寸效應理論當中，中心思想認為材料結構在宏觀裂紋擴展過程當中所產生的應變能耗是形成尺寸效應的最主要因素。

(3)基于裂紋分析特征引起的尺寸效應理論。在有關基于裂紋分析特征引起的尺寸效應理論的研究工作當中，最具代表性的研究理論應當是由Carpinteri所提出的多重分形尺寸效應理論。對于混凝土材料而言，由于其微觀結構當中具有無序性的特點，且包括微孔穴以及微裂紋在內的各種微觀缺陷相互作用，因此導致宏觀意義上的斷裂力學理論無法準確描述混凝土材料的斷裂行為。同時，在準脆性材料當中，內部結構所存在的各向異性以及不連續性分布的缺陷表現會致使材料內部各點的強度表現產生差異。在外部力場恒定的條件下，各個點所對應的應力強度因子會存在差異，強度較低點位容易較早產生裂紋。換句話來說，對于混凝土材料而言，在斷裂秦安，內部微裂紋的演變具有分形特點。也就是說，可以通過引入分形維數數學關系式的方式，構建基于多重分形的尺寸效應律，用以對混凝土構件的尺寸效應理論。

2 鋼筋混凝土構件梁破壞尺寸效應分析

當前，各個國家與地區對鋼筋混凝土梁破壞過程中尺寸效應的研究還存在明顯的不足之處，研究內容以混凝土強度尺寸效應對其結構理論分析的影響為主，或者是通過試驗研究的方式對較大尺寸的鋼筋混凝土梁體進行分析。已有的研究成果中顯示：對于鋼筋混凝土梁體結構而言，其抗剪強度具有明顯的尺寸效應表現。一般而言，經過尺寸效應試驗處理的梁體結構破壞抗剪強度較設計標準中的抗剪強度而言更低。同時，梁體結構尺寸對箍筋所提供的抗剪強度以及在開裂后的工作性能表現并沒有直接的影響。造成這一現象的主要因素在于：鋼筋混凝土梁體結構中少筋梁剪應力理算程度超過預期標準。

有關研究人員在對前人所獲取試驗數據進行分析的過程當中引入了統計學方法，認為尺寸效應影響是在對混凈土梁體結構抗剪強度進行分析期間必須納入考量的因素之一。在此基礎之上，通過修正抗剪強度標準規范的方式，形成建立在非線性斷裂力學條件下的開裂段模型，能夠滿足普通以及高強度鋼筋混凝土梁體結構的分析工作。同時，研究人員發現：相對于較大尺寸的鋼筋混凝土結構深梁而言，尺寸效應并不會對斜向裂縫的開裂強度產生影響，但會導致極限抗剪強度的變化。后又有研究人員設置有5組(共計36根)鋼筋混凝土簡支梁的試驗，展開了對梁體結構尺寸效應的分析工作。分析結果認為：鋼筋混凝土梁體結構受彎承載力水平較少受到尺寸效應的影響，尺寸效應對鋼筋混凝土梁體結構的影響在護腰集中在受剪承載力方面。主要機制在于：受拉縱筋屈服造成梁體結構發生受彎破壞。

3 鋼筋混凝土構件柱破壞尺寸效應分析

Bazant等相關研究人員為了證實鋼筋混凝土構件柱破壞過程當中存在顯著的尺寸效應，且為了研究鋼筋混凝土構件強度與尺寸之間的對應關系，以細石混凝土澆筑前的鋼筋混凝土柱作為研究對象，進行了縮壓試驗。在研究數據顯示：鋼筋混凝土構件柱破壞過程當中的尺寸效應表現相當顯著。但，鋼筋混凝土構件柱破壞方式的而表現卻存在一定的差異性，即部分破壞發生在鋼筋混凝土構件柱中段，部分破壞發生在鋼筋混凝土構件柱前端。在破壞所發生部位不同的影響下，能量的釋放也有一定的差異性。

在此基礎之上，有關研究人員還引入微平面模型，通過有限元分析的方式對前人所開展的鋼筋混凝土構件柱破壞尺寸效應試驗結果進行了分析，分析得出了以下幾個方面的結論：第一，在不同的破壞區域發生未知作用之下，峰值荷載所對應的尺寸效應同樣存在；第二，由于儲存在鋼筋混凝土構件柱結構當中的應變能力發生釋放反應，進而會導致鋼筋混凝土構件柱結構發生受壓破壞，其機制與受拉破壞高度相似；第三，可以通過開裂分析的方式得到鋼筋混凝土構件柱在偏壓破壞條件下的尺寸效應。

4 結束語

混凝土作為一種典型的非均質材料，具有多相多孔的特征，且在尺寸不斷增大的條件下，其非均質性表現將更加突出，由(此導致破壞隨機性增大。尺寸效應的研究顯得更加關鍵。本文在對現階段鋼筋混凝土構件尺寸效應研究理論進行集中分析的基礎之上，合并分析了對于鋼筋混凝土構件而言，在梁結構與柱結構破壞條件下的尺寸效應表現，望進一步豐富研究。

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