混凝土立方体试件劈裂抗拉强度尺寸效应研究.docx

混凝土立方体试件劈裂抗拉强度尺寸效应研究
摘要：混凝土结构构件局部承压实验，表明由于混凝土包络面的作用，混凝土的抗压强度增加。尺寸效应在钢筋混凝土断裂力学中起到重要影响，尽管设计规范提出了具体的标准来防止承载破坏，但并没有考虑到尺寸效应。研究集中载荷作用下测试尺寸范围为1:4六大系列混凝土立方体试件。用Bazant尺寸效应律分析了实验得到的极限荷载，结果与文献中的实验数据进行了比较。总之，观测到的尺寸效应数据很好的吻合了尺寸效应规律。

关键词：混凝土承载强度尺寸效应律

1．引言
钢筋混凝土构件设计中承载强度的预测是很有必要的，如钢筋混凝土基础、钢筋混凝土承重桥墩、后张拉混凝土梁的锚固、混凝土铰链和一些水工建筑物的基础。为了确定混凝土承载能力，若干设计规范采用了Hawkins平方根公式，这个公式没有考虑尺寸效应。然而，众所周知随着尺寸的增大混凝土结构的强度会降低。断裂力学中可以很好的解释混凝土结构的尺寸效应。
20世纪70年代，人们发现古典线弹性力学不适应于准脆性材料，如混凝土，刚刚开始了混凝土断裂力学的实验性研究。由于大量裂缝和全裂缝裂纹尖端的非弹性区的存在，混凝土不适应线弹性断裂力学。线弹性断裂力学忽略了断裂过程区。因此，几位研究者为了更确切的描述混凝土的失效研究了非线性断裂力学。Bazant的非线性断裂力学方法，也就是尺寸效应律，表明在混凝土中强度尺寸效应首先涉及到一个相当大的断裂过程区。试验试件要求几何相似材料相同，最小尺寸范围是1:4，这是这个方法中最重要的要求之一。
早先已经对Ⅰ-Ⅲ型试件采用尺寸效应律的实验方法进行了试件尺寸对混凝土强度影响的研究。Niyogi进行了尺寸效应对混凝土承载强度影响的实验，试验中试件尺寸范围不能应用Bazant的尺寸效应律。Niyogi在实验中采用的试件同一尺寸的配合比也不同（这就增加了影响因素。）。在这项研究中，对六种不同尺寸（尺寸范围为1:4）系列的混凝土立方体施加集中载荷。运用尺寸效应律分析试验结果得到的极限承载力，并推导出一个基于尺寸效应律预测混凝土承载强度的近似公式。推导公式与文献中142个测试数据吻合。
2．混凝土承载强度
混凝土结构构件在局部压力作用试验，表明受力区混凝土的抗压强度由于周围混凝土的约束作用而变大。图1中看到，在局部荷载作用下，由于横向拉应力的作用，失效的混凝土构件快速开裂。先前的研究发现，承载面积、构件的横截面积、加载条件以及材料的抗压强度对混凝土的承载强度有很大的影响。
Bauschinger最先研究了建筑材料的承载强度。他提出了基于有限个砂岩立方体试验的著名立方根公式，但不能正确计算混凝土的承载强度。Meyerhof和Shelson指出承受集中荷载的混凝土与三轴压缩试验的破坏形式相似。为了解释混凝土砌块的承载破坏，Au和Baird提出了一个在加载板下方呈倒金字塔形应力的理论，他们假设失效前的倒金字塔型应力正向渗透会导致横向压力。这些假定最终得出混凝土砌块承受复合拉弯应力。混凝土砌块上方的最大张应力超过混凝土的抗压强度时发生失效。这个理论适应于混凝土砌块失效前，但在最终破坏时不合理。
Hawkins通过在刚性支撑的刚性板上加载支撑混凝土砌块的试验，首次提出了计算混凝土承载强度实用方法。随着荷载的逐渐增加，观察到砌块内部出现了第一条竖向裂缝，如图1，并贴上标签1。当达到最大荷载，在加载板下方出现一个楔形裂缝，如图1（b），加载面上出现了径向裂缝，如图1（c）。通常，四个径向裂缝发生如图1（c）所示，也有试件上出现更多的裂缝。此外，试验发现在图1（b）中金字塔的顶角θ从38到70度不等。Niyogi研究了试件的几何形状、支撑性质、偏心率、混合性能、混凝土强度和试件的尺寸对混凝土承压强度的影响。
在实践中，有两种用来防止混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土结构的承载破坏方法。也就是，在受拉区放置钢筋和限制承载压力防止混凝土内部开裂。而现行的设计规范，一般更倾向于第二种方法。Hawkins平方根公式如下：

其中Pu代表破坏荷载，f’c代表混凝土抗压强度。A1代表承载面积，A2代表有效承载面积。假设荷载P在混凝土块中沿着两个水平向的平面向竖向面方向分布，并首先到达砌体的边界。在图2中有A2计算面积。
设计规范中公式q≤2f‘c限定了混凝土的承载强度。然而，如图3所示，R值越大极限值越靠近极限安全。extremesafety此图中，对之前试验结果（只考虑了立方体试件）、方程1的计算结果，设计规范的下限值进行了说明，q/f/c与根号R平面做了比较。试验试件的几何、材料的性质和加载条件参见表1。Neville公式把立方体强度fc转化为圆柱体强度f、c:

3.混凝土断裂时的尺寸效应
通常，结构尺寸的改变会引起结构性能的改变，这就是大家所知道的尺寸效应。换句话说是，几何相