混凝土的拉伸软化曲线及其尺寸效应研究

As a quasi-brittle material, concrete has a finite stress region near the crack tip, known as fracture process zone.Concrete exhibits nonlinear fracture behaviour due to the existence of the fracture process zone. The cohesive crack model is widely used to characterize the nonlinear fracture behaviour of concrete. According to the cohesive crack model, all the nonlinear behaviours in the fracture process zone can be represented by a cohesive crack, and the crack propagation is controlled by the relationship between the cohesive stress and crack opening, namely, the tension softening curve (TSC). In order to determine the TSCs of quasi-brittle materials, an incremental displacement collocation method (IDCM) has been developed. The IDCM has been used to determine the TSCs of concrete with different compressive strengths by using the same laboratory-size specimens.. However, size effect is regarded as an inherent property of concrete and the fracture parameters of concrete determined from a laboratory-size specimen may be affected by the sample geometry and size, thus the present study aims to investigate the influence of specimen geometry and size on the fracture parameters of concrete,especially the size effects on TSCs of concrete. Experimental and numerical studies will be conducted to investigate the fracture behaviours of the centre-notched beams. According to the experimental and numerical results, the TSCs of concrete with different sample geometry and size will be determined. This study can provide engineers useful nonlinear fracture parameters in the numerical simulation of RC structures.

混凝土作为一种准脆性材料，产生裂纹时，裂纹尖端的应力并不是趋于无穷，而是存在着一个断裂过程区。断裂过程区的存在，使混凝土呈现出一种非线性的断裂特性。为描述混凝土的非线性断裂特性，多采用黏聚裂纹模型。根据黏聚裂纹模型，断裂过程区所有的非线性行为都可以用一条黏聚裂纹来表示。裂纹的扩展由黏聚应力与裂纹张开位移之间的关系即拉伸软化曲线控制。为确定混凝土的拉伸软化曲线，我们提出了一种新的逐点位移配合法。采用该方法，基于相同的试件尺寸，我们已经求得不同强度混凝土的拉伸软化曲线。然而尺寸效应是混凝土的固有特性，混凝土的断裂参数可能受试件尺寸的影响。. 为得到更具代表性的结果，本项目旨在研究试件尺寸对混凝土断裂参数的影响及混凝土拉伸软化曲线的尺寸效应。通过实验和数值模拟，对不同试件尺寸下的混凝土断裂机理进行分析，建立混凝土拉伸软化曲线的尺寸效应律，为钢筋混凝土结构的非线性分析和数值模拟提供参考。

尺寸效应作为准脆性材料的固有属性，在混凝土断裂行为中表现尤为明显。如何准确、合理地通过研究小尺寸试件的断裂参数来分析大尺寸混凝土结构的断裂破坏是土木工程领域学者们十分关注的问题。要研究混凝土的断裂特性，首先要弄清混凝土断裂过程区的裂纹扩展规律。根据黏聚裂纹模型，裂纹的扩展由黏聚应力与裂纹张开位移之间的关系即拉伸软化曲线控制。为确定混凝土的拉伸软化曲线，我们提出了一种新的逐点位移配合法。采用该方法，基于相同的试件尺寸，我们已经求得不同强度混凝土的拉伸软化曲线。为得到更具代表性的结果，本项目旨在研究试件尺寸对混凝土断裂特性的影响。.通过三点弯曲试验研究普通混凝土和高强混凝土的断裂性能，采用电子散斑干涉技术（ESPI）和数字图像相关（DIC）技术对带预制切口的试件梁表面进行全场测量。针对每种混凝土，根据试件尺寸的相似性，共测试五组不同尺寸的试件梁，得到加载全过程的荷载-位移曲线、确定其断裂参数，包含断裂能、断裂韧度、能量释放率、名义应力以及抗拉强度等。分析试件尺寸对各断裂参数的影响，其中峰值荷载、峰值荷载处位移、弹性模量和断裂能均随着试件尺寸的增大而增大，而名义应力则随试件尺寸的增大而减小。针对试件尺寸的影响，给出了各断裂参数的简易求解公式。通过ESPI和DIC测量结果，分析混凝土中裂纹的扩展规律。采用逐点位移配合法，确定各个尺寸试件梁的拉伸软化曲线，分析强度和试件尺寸对该曲线的影响，其中强度主要影响拉伸软化曲线的前半段，而试件尺寸则影响曲线的后半段，试件越大，曲线的尾部越长。最后，基于ABAQUS有限元分析软件，采用XFEM裂缝模型，对带预制切口的三点弯曲梁进行模拟。通过对比试验结果和数值模拟结果，验证数值模型的合理性，进一步对更大尺寸的试件梁的断裂行为进行预测。.通过试验和数值模拟，对不同试件尺寸下的混凝土断裂机理进行分析，揭示混凝土断裂参数及拉伸软化曲线的尺寸效应，为钢筋混凝土结构的非线性分析和数值模拟提供参考。