混凝土材料的断裂模型和强度尺寸效应.pdf

Vol.23No.1安徽工业大学学报第23卷第1期
January2006J.ofAnhuiUniversityofTechnology2006年1月

文章编号:1671-7872(2006)01-0059-05
混凝土材料的断裂模型和强度尺寸效应

周青松1,于清树2
(1.河海大学土木工程学院,南京210098;2.安徽工业大学职业技术学院,安徽马鞍山243011)

摘要:尺寸效应是准脆性材料的固有特性。讨论了混凝土材料的各种断裂模型,结合Bazant尺寸效应律,给出了不同断裂模型下
的Bazant尺寸效应公式。
关键词:断裂模型;尺寸效应;Bazant尺寸效应律
中图分类号:TU502文献标识码:A

FractureModelsofConcreteandBazantSizeEffectLaw

ZHOUQing-song1,YUQing-shu2
(1.CollegeofCivilEngineering,HehaiUniversity,Nanjing210098,China;2.TechnologyCollege,AnhuiUniversity
ofTechnology,Ma'anshan243011,China)

Abstract:Sizeeffectistheessentialpropertyofquasi-brittlematerials,Allkindsoffracturemodelsofconcrete
arediscussed,joinedwithBazantsizeeffectlaw,theformulasofsizeeffectunderdifferentfracturemodelsare
achieved.
Keywords:fracturemodel;sizeeffect;Bazantsizeeffectlaw

引言
混凝土是一种由粗、细骨料及硬化水泥基体组成的多相材料。从微观上看,混凝土结构的显著特点是非
均质,多相多孔,是典型的非均匀材料。除骨料中含有大量微裂隙和微孔洞外,由于胶结体在水化硬化过程中
受泌水作用等影响,在骨料与胶结体之间的界面区,也会形成更大尺寸的微裂隙和微孔洞,并有夹杂物。混凝
土材料的这一微观特征,使其结构断裂尤为复杂。强度的尺寸效应是混凝土准脆性材料的固有特性,传统的
强度理论已难于满足其设计要求。20世纪60年代以后,人们相继将断裂力学和各种断裂模型应用于混凝土
的断裂分析中,取得了一定的成果。在用线弹性断裂力学分析和研究混凝土断裂问题时,为了获得正确的断
裂参数,首先要研究混凝土裂缝的亚临界扩展和缝端附近区域的物理特性和力学行为。早在1961年,M.F.
Kaplan就将线弹性断裂力学的概念用于研究混凝土的断裂问题[1],从那以后的几十年间,国内外对混凝土的

[2-4]
断裂韧性KIC和临界能量释放率GIC进行了大量的研究,实验中发现,采用线弹性断裂力学公式用最大荷

载和初始裂缝长度求得的KIC和GIC值存在明显的尺寸影响,这引起了人们对混凝土裂缝的亚临界扩展的普
遍关注。对混凝土的断裂过程区的变形特性进行观察,弄清混凝土的断裂机理,在大量实验观察的基础上,分
别提出了不同的混凝土断裂模型,如Jeng-Shah的双参数模型,Hillerborg的虚裂纹模型(FCM)等。对混凝土
而言,尺寸效应主要表现为断裂能随构件尺寸的增大而增大,强度则随构件尺寸的增大而减小。20世纪80年
代初期,Bazant基于能量释放的近似分析,提出了尺寸效应的简单公式,根据Bazant的多年研究[5],强度尺寸效
应由6方面的因素所引起:(1)边界效应。由于混凝土构件模板的作用,大骨料趋向于分布在构件的中心区域,
而小骨料趋向于分布在构件的边界区域,这样就形成了与构件本身尺寸无关的边界层。对于小构件而言,边界
层占据了大部分截面,而对于大构件,边界层仅占据小部分截面。另外,混凝土构件在法向应力作用下,由于骨

收稿日期:2005-03-29
作者简介:周青松(1966-),男,安徽马鞍山人,安徽工业大学职业技术学院讲师,在职博士,主要从事工程力学教学与科
研工作。
60安徽工业大学学报2006年

料与水泥浆基体的力学性能不同在构件内部产生横向应力,但在构件表面不存在这种应力。再者,泊松效应使
得混凝土构件表面几乎处于平面应力状态,而内部几乎处于平面应变状态,表面裂缝尖端处的应力场与内部
裂缝尖端处的应力场不同。(2)扩散现象。由于扩散时间与构件尺寸的平方成正比,而且扩散本身改变了材料
的性质并产生残余应力,最终导致非线性应变和开裂。因而,对于大构件和小构件而言,扩散时间和所储存能
量的不同导致开裂程度的裂缝密度均不相同。(3)与化学反应相关的水化热和其它现象。与上面的情况类似,