商業化學混凝土動裂紋位置對態破壞的影響

賈世欣

【摘要】混凝土類非均勻脆性材料一般是帶裂縫工作，其破壞過程為微裂紋的萌生、擴展和串級直至破壞，裂紋的初始形態特征對混凝土類脆性材料的最終最終破壞模式、強度及機理有著重要影響。在實際工程結構中，裂紋存在的位置和角度等通常呈現隨機分布狀態，具有不確定性。綜合的理解裂紋形態的影響和作用，對實際工程的設計和失效過程的認識十分必要。所以，對單個裂紋在不同位置時混凝土類材料的破壞過程和特征的充分的認識和理解，，尤其是對不同初始裂紋位置時，裂紋的發展演化特征及其對破壞模式、強度等的影響的認識和理解，對于實際工程的安全和設計具有重要的實際意義。

【關鍵詞】裂紋位置；混凝土；動態破壞；影響

本文主要關注混凝土材料在不同初始裂紋位置時的損傷演化誘發宏觀破壞的機理和規律，著重于對包含不同位置初始裂紋試樣的細觀斑圖演化動力學過程的分析研究。研究裂紋位于不同位置時試樣的損傷斑圖演化特征及由此引起的應重分布、強度變化、極限應變和能量耗散的變化特征。而其內在機理就在于不同裂紋分布位置導致損傷斑圖演化的不同。混凝土類非均勻脆性材料一般是帶裂縫工作，其破壞過程為微裂紋的萌生、擴展和串級直至破壞，這類材料在壓縮荷載作用下的裂紋擴展和損傷演化特征受到廣泛關注。

而裂紋的初始形態特征對試樣的最終破壞特征有著重要影響。巖石單軸壓縮試驗表明裂紋的起裂應力與預制裂紋的傾角密切相關，裂紋的起裂應力隨著裂紋傾角（預制裂紋與加載方向的夾角）的增大而增加。除裂紋的傾角外，裂紋形態特征還包括裂紋形狀[6，7]及多條裂紋間的相互作用等。Reyes 等[8]對含兩條平行裂紋的大理石試樣進行單軸壓縮試驗研究，結果表明平行裂紋搭接尺寸對試件的極限失效荷載值具有顯著效應。基于含多條預制裂紋的巖石實驗觀測，表明裂紋的串級類型與裂紋間的相對位置密切相關，最終的失效模式亦不相同。含裂紋試樣的軸壓強度隨著裂紋長度、裂紋條數和傾角的增大而減小。基于此，本文借助 ANSYS-LSDYNA 非線性有限元分析軟件，對單軸壓縮動態加載條件下，三種典型裂紋分布位置2D混凝土試樣的損傷演化的動力學斑圖進行詳細的對比分析，研究裂紋位于不同位置時試樣的損傷斑圖演化特征及由此引起的應重分布、強度變化、極限應變和能量耗散的變化特征。 混凝土類非均勻脆性材料一般是帶裂紋工作，其破壞過程為微裂紋的萌生、擴展和串級直至失穩破壞，這類材料在壓縮荷載作用下的裂紋擴展和破壞特征受到了廣泛關注。早在二十世紀早期科研人員就開始對脆性實體材料中預制裂紋的行為特征進行了初步研究。以預制裂紋的巖石混凝土類非均勻脆性材料的構件為研究對象，對其的研究方法分為兩種：一種是試驗分析；一種是結合有限元軟件對含有預制裂紋的試樣模型進行仿真模擬分析。早期對裂紋行為特征的分析主要以（修訂的）格里菲斯理論（當初始裂紋尖端的拉應力超出材料的分子粘聚強度時裂紋起裂）為基礎，分析預制裂紋周圍的應力分布情況能夠預測裂紋的起裂點和起裂方向；運用格里菲斯理論能夠很好地預測單條預制裂紋巖石試樣在軸壓作用下裂紋的起裂應力。然而，隨著人們對格里菲斯理論深入認識逐漸發現其雖能預測單條裂紋的起裂，但不能確定裂紋的擴展路徑，而且對于多條裂紋間的相互作用沒有給出相關理論，故需要進一步探索更貼近實際的裂紋基礎理論。此外，國外學者也對預制裂紋試樣在壓縮試驗過程中的裂紋形態特征對試樣的影響進行了分析。Reyes 等對含兩條平行裂紋的大理石裂紋試樣進行單軸壓縮，發現平行裂紋的搭接尺寸對試樣的極限失效荷載有顯著影響。Dyskin 等選用不同的脆性材料（樹脂和水泥砂漿）制作裂紋試樣，改變初始裂紋的形狀（圓形和橢圓形）和位置，得出初始裂紋的形狀對裂紋的擴展影響是微小的和裂紋的相對位置影響試樣的破壞機理，Bobet 等人以一系列含有三條和十六條平行預制裂紋的石膏試樣為試驗對象，對其進行單軸壓縮，得出了裂紋的起裂應力隨著裂紋傾斜角（以加載方向為零角）、裂紋間距、等幾何特征的增加而增加，而隨著裂紋條數的增加而減小；串級應力隨著裂紋傾斜角的增大而減小；和串級類型與平行裂紋傾角、相對位置等因素密切相關。Park 等人對含三條預制平行裂紋的石膏試樣進行單軸壓縮，得出翼型裂紋的平均起裂應力小于次級裂紋的起裂應力，這種差異隨著裂紋傾角的變小而減小。

相比于國外的研究發展歷史，國內對非均勻脆性材料中裂紋試樣相關特性的研究時間相對較短，但隨著科技的不斷進步，國內自身試驗設備的不斷改進、理論知識的不斷完善，加上參考國外的研究成果，對裂紋的研究水平有了飛速提高并取得了可靠的研究成果。對研究非均勻脆性材料的裂紋擴展的數值模擬的方法概括分為連續法和非連續法。對于連續法應用較為廣泛的有有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、無網格伽遼金法等。如自適應網格有限元模擬：郭素娟等使用自適應有限元模擬，結合最大周向應力的破壞準則，模擬了二維平面應變單元邊緣裂紋試樣的擴展過程；Li 等使用 RFPA2D 有限元軟件模擬了含單條、兩條的大理石裂紋試樣在壓縮荷載作用下裂紋的發展過程；周小平等人[36]采用擴展有限元法，結合罰函數的破壞準則，建立了壓應力狀態下的裂紋擴展方法，并對含兩條預制平行裂紋的巖石類模型進行數值模擬，并得出了其裂紋擴展過程與試驗基本吻合。對于非連續法，當前應用較為廣泛的是非連續變性分析法（DDA）、離散單元法（DEM）、數值流形法（NMM）等。

從以上研究進展的分析可以看出，預制裂紋的初始形態特征例如裂紋形狀、條數、傾角、多條裂紋間相互作用等影響試樣的力學性能特征如強度、彈性模量、極限應變值等，破壞時裂紋的串級類型，試樣最終的破壞模式。綜合理解預制裂紋形態的影響和作用，對實際工程的設計和工程構件的使用檢測十分必要。所以在理解裂紋傾角、多裂紋相互作用及裂紋形狀的基礎上，對單條裂紋處于試樣不同位置引起的破壞過程和裂紋擴展特征有更充分地認識和理解。混凝土工程結構在實際的使用壽命期間，除了承受速度變化緩慢的（準）靜態荷載外，不可避免地要經受各種變化（加）速度劇烈的動態荷載的作用。例如在抗震安全評估中，所要考慮的因素不僅有結構整體動力效應，還要分析加載速率對工程材料力學性能的影響。然而，動態試驗本身的復雜性及當前對混凝土材料動力性能研究成果的不完整性，以往的成果更多是注重加載速率對材料強度的影響，隨著數值模擬技術的進步，有限元分析不再是以得到令人滿意的結果為唯一目的，更要求對構件整個發展過程進行全程分析，故這種日漸成熟的有限元模擬技術對材料的破壞過程進行研究成為主要的研究工具之一。所以本文借助有限元分析軟件，在以往的研究基礎上，以含單條預制裂紋的2D混凝土試樣為研究對象，模擬了其在單軸壓縮條件下，試樣的破壞過程。分析了三種典型預制裂紋分布情況下混凝土試樣損傷演化的動力學斑圖；研究裂紋位于不同位置時試樣的損傷斑圖演化特征及由此引起的應力重分布、強度變化、極限應變和能量耗散的變化特征；探尋損傷演化誘發宏觀破壞的機理。