第32卷第3期 2016年6月 结构工程师 Vo1.32.No.3 Structural Engineers Jun.2016 混凝土试件劈裂抗拉强度的数值研究 李 波 李遇春吴晓涵 (同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092) 摘要 结合Grifith强度准则,借助Abaqus有限元分析软件,通过二维、三维有限元模型的计算分析, 对混凝土劈裂抗拉强度试验中,圆柱体和立方体试件加载点附近应力集中程度做出评价,建议采用平台 圆柱体试件,并提出建议相对平台宽度和立方体试件的建议相对垫条宽度。并在考虑试件三维应力分 布规律后,提出两种试件的劈裂抗拉强度的修正计算公式。 关键词劈裂试验,应力集中,平台圆柱体,相对平台宽度,相对垫条宽度,建议公式 Numerical Studies of Splitting Tensile Strength of the Concrete Specimens LI B0 LI Yuchun WU Xiaohan (Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,TonNi University,Shanghai 200092,China) Abstract Combining with Griffith strength criterion,using the finite element analysis program—Abaqus, through the calculation of 2D and 3 D finite element model,the degree of the stress concentration near the load point of the cylinder specimen and the cube specimen in a concrete splitting tensile strength test was evaluated.The platform cyhnder specimen and the relative platform width of it,and relative strap width of the cube specimen were suggested.Considering the three dimensional stress distribution,the formulas to calculate the splitting tensile strength of the two kinds of specimen were proposed. Keywords splitting test,stress concentration,platform cylinder,relative platform width,relative strap width,recommended formulas 对圆柱体和立方体试件加载点附近的应力集中程 1 引 言 目前,劈裂试验是确定混凝土材料抗拉强度 最常用的方法之一。文献[1]对比了国内外一些 混凝土劈裂抗拉强度试验与直接拉伸试验的结 果,发现当垫条尺寸较小时,混凝土劈裂抗拉强度 明显小于直接拉伸强度。而当垫条较宽时,劈裂 抗拉强度则明显大于直接拉伸强度。由此认为, 试验中垫条宽度是影响混凝土劈裂抗拉强度的重 度做出评价,建议混凝土劈裂试验采用平台圆柱 体试件,并给出平台圆柱体试件的建议平台相对 宽度(平台宽度与圆柱体试件直径的比值)和立 方体试件的建议相对垫条宽度(垫条宽度与试件 边长的比值)。 我国相关标准中 引,直接根据对心受压圆 盘的弹性力学平面解得到圆柱体和立方体试件的 劈裂抗拉强度计算公式。试验中,试件高度为其 截面直径或边长的1~2倍,不满足弹性力学平面 问题的基本假定,并且沿试件高度方向应力分布 明显不均匀,故需要对劈裂抗拉强度计算公式做 出修正 j。本文通过三维有限元数值分析,研 要原因之一。但是,文献[1]未作出进一步分析。 本文结合Grifith强度准则,借助Abaqus有限元 分析软件,通过二维试件模型的有限元数值计算, 收稿日期:20154)5-20 联系作者,Email:20101ibo@tongji.edu.cn Structural Engineers Vo1.32,No.3 究平台圆柱体试件和立方体试件中,相关应力的 空间分布规律,并提出两种试件的劈裂抗拉强度 的修正计算公式。 2强度准则 选择合适的强度理论,对于工程强度问题的 合理分析是十分重要的。混凝土是一种抗拉、抗 压强度明显不对称的脆性材料,试件加载点附近, 由于应力集中现象的存在,处于三向应力状 态 J。Grifith强度准则很好地反映了混凝土材 料的特性,并且相关理论能够形象地解释在单轴 压缩应力作用下,混凝土材料劈裂受拉破坏的本 质 。故本文选择Grififth强度准则,用于混凝土 劈裂抗拉强度试验中试件的破坏分析。Griffith 强度准则的等效应力 的主应力表达形式为 G=?。:』【 ( 一—8 o 】+3r 3)~ + ≤0(一 ()1) 3 + >0 式中,规定主应力符号以拉为正; 为最大主应 力; 为最小主应力。 混凝土抗拉强度为 ,当盯。≥/=时,材料 破坏。 3二维模型数值分析 3.1平台圆柱体试件 1)模型建立 本文研究7昆凝土开裂前试件中的应力分布, 故建立线弹性模型进行计算,试件开裂破坏从等 效应力or 最大的位置开始。弹性模量取E: 3.0×10 MPa,泊松比取 =0.2。参考文献[2], 取圆柱体试件直径D=150 Nil33,平台宽度2b= 5 mlTl,10 1"11113.,15 iylm,20 mm,25 mm,30 1Tim,坐标 原点O为试件的几何中心,荷载P=250 N/ram, 如图1所示。根据试件几何形状、边界条件和所 受荷载的双向对称性,选取试件的1/4建立模型, 模型AO段上 方向位移、OB段上Y方向位移均 为0。 2)计算结果分析 由于双向对称性,试件AO段、OB段不存在 剪应力,可以直接得到这两段任意点的主应力。 利用式(1),得到AO段、OB段上,一点的等效应 力 。随着该点到坐标原点O的距离r ,r 的变 化规律。对应试件平台宽度26的各种取值, ro。一r 关系曲线如图2所示, 。一r2关系曲线如图3 所示。 r‘ / / \ \ O Bl ~ J \\/ . -/ r 一 { 1 0 山 l — 1 1 0 ~l 图1二维平台圆柱体试件 Fig.1 2D platform cylinder specimen 图2 AO段盯(;一r.关系曲线 Fig.2盯c—rI curve along AO direction g 晕 \ R 校 图3试件OB段盯。一r 关系曲线 Fig.3盯c一1"2 CHIVe along OB direction ·结构分析· 从图2可以看出,试件受压直径上,当平台宽 度26≤20 mm时,总是从加载点附近开始破坏; 当2b/>25 mm时,总是从试件中心位置附近开始 破坏。从图3可以看出,试件水平直径上,不论平 台宽度取值如何,都是从试件中心位置附近开始 破坏。为了保证试件的破坏是由试件中心位置附 近开始,试件平台宽度取值不小于25 mm。由弹 性力学知识可知,无平台圆盘,其中心点O处水 平拉应力解析解为1.061 MPa。随着平台宽度26 取值的增加,试件中心点O处的水平拉应力 的值逐渐减小,与无平台圆盘解析解之间的误差 也逐渐增加,如表1所示。 表1平台圆柱体试件中 与圆盘解析解之差 Table 1 The difference between trox in platform cylinder specimen and analytic solution for disc 2b/mm 5 1O 15 20 25 30 /(N· 1.058 1.053 1.047 1.037 1.024 1.008 mm ) 误差/% 一O.28 —0.75 —1.31 —2.26 —3.48 —5.O0 直观上也可以知道,平台宽度越大,试件内 应力分布与弹性力学的规则分布之间的差异越 大。在保证试件从中心位置开始破坏的前提 下,尽可能小的平台宽度对于试验精度是有益 的。因此,本文建议平台圆柱体试件的平台宽 度为25 mm。为了适应不同尺寸的试件,建议相 对平台宽度(平台宽度2b/圆柱体试件直径D) 取值为1/6。 3.2立方体试件 1)模型建立 取立方体试件边长S:150 mm,垫条宽度26 =5 mm,10 IniTl,15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,坐 标原点O为试件的几何中心,取定P= 250 N/ram,如图4所示。根据试件的双向对称 性,选取试件的1/4建模分析。模型CO段上 方向位移、OD段上Y方向位移均为0。 2)计算结果分析 类似地可得到立方体试件CO段、OD段上一 点的等效应力or 随着该点到坐标原点O的距离 S.,S 的变化规律。对应垫条宽度26的各种取 值, ;一S。关系曲线如图5所示, 。一S:关系曲线如 图6所示。 将立方体试件中心点O处水平拉应力 与 结构工程师第32卷第3期 1 .1.皂1· Q. I . l图4二维立方体试件 Fig.4 2d cube specimen 图5 CO段 。一8。关系曲线 Fig.5 G-S1 ClIIWe along CO direction 图6 OD段 G—S2关系曲线 Fig.6 G-S2 curve along OD direction 无平台圆盘的弹性力学解析解相比较,如表2所 示,可以看出与平台圆柱体试件相似的规律。并 且加载宽度相同的情况下,立方体试件误差明显 大于平台圆柱体试件的误差,这是由于试件几何 Structural Engineers Vo1.32,No.3 ·48· Structural Analysis 形状引起的应力场的变化。 表2 立方体试件中 与无平台圆 盘解析解之差 Table 2 The diference between 19"o in cube specimen and analytic solution for disc 2b/mm 5 1.047 截面中心轴OO 上的某一点开始。高径比k=2 (h=300 mm)时,O0 上一点的等效应力or 与 该点到坐标原点0的距离z之间的关系如图8所 示。可以看出,0点附近等效应力 保持稳定不 变,在接近0 的区区域,r。明显增大,0 处的等 o30 0.983 1O 1.042 15 1.032 20 1.019 25 1.003 效应力值比0点附近大约30%。当高径比取不 同值时,可以发现相似的分布规律,只是当k≤1 时,等效应力or 从试件中心0点直接开始增大, 而不出现明显水平稳定段。 7-ox/(N‘ i'1/'12/一 ) 误差/% 一1.32 —1 79 —2.73 —3.96 —5.47 —7.35 根据图5、图6和表2,建议立方体试件的垫 条宽度为25 mm,相对垫条宽度(垫条宽度2b/立 方体试件边长s)取值为1/6。 4三维模型数值分析 4.1平台圆柱体试件 1)模型建立 有学者在研究岩石劈裂试验中提出影响试件 中应力空间分布的因素主要有高径比和材料泊松 比 J。不同强度等级混凝土材料,泊松比差异不明 显。本文讨论不同高径比的平台圆柱体试件中,等 效应力f, 的分布规律。试件直径D:150 mm,平 台宽度2b=25 mm,试件高度分别为h=37.5 him, 75 mm,150 mm,225 mm,300 mill,相应高径比k= 0.25,0.5,1.0,1.5,2。取试件的几何中心为坐标 原点,根据试件在三个坐标轴方向所具有的对称 性,选取试件的1/8进行计算,如图7所示;试件 YOZ面上的 方向位移、XOZ面上的Y方向位移、 XOY面上的z方向位移均为0。为了便于比较,所 有试件平台上的均布荷载均取为10 N/ram 。 图7三维立方体试件 Fig.7 3D eube specimen 2)计算结果分析 在试件任意横截面上,等效应力or。的分布 规律与二维模型相似,故试件的劈裂破坏必然从 昌 晕 Z R 较 图8 O0t上r,c— 关系曲线 Fig.8 c— curve al0ng OOl direction 试件的劈裂破坏必然从端面中点开始。高径 比取值不同时,对应的试件端面中点O 的等效应 力or ,如表3所示。 表3 试件高径比k所对应端面中点的 等效应力 Table 3 The corresponding equivalent stress 0"ox at end section center point for specimens with different height diameter ratio G(/N ml · Tl I2) I1 04. 9 1 1 1. 28 1 1 2. 79 } 1 304. 1 1 305. 综合考虑试件平台和高径比的影响,建议混 凝土平台圆柱体试件(平台宽度为试件直径的 1/6)劈裂抗拉强度的计算公式为 _,t = = (2)【z) 式中, 为修正系数,其值通过表3数据拟合等到: =0.171k 一0.728 k +0.881 一0.084k+0.965 (3) 高径比 的取值范围为0.25~2,能够满足 劈裂试验的需要。 4.2立方体试件 1)模型建立 ·结构分析· ·49. 结构工程师第32卷第3期 试件边长150 iIlm,垫条宽度2b=25 mill。取 试件的几何中心为坐标原点,根据试件在三个坐 参考文献 标轴方向所具有的对称性,选取试件的1/8进行 计算,如图10所示;试件YOZ面上的 方向位 移、XOZ面上的y方向位移、XOY面上的z方向 位移均为0。垫条对应范围内的均布荷载取为10 N/ram 。 2)计算结果分析 在试件与z轴垂直的任意截面上,等效应力 6r 的分布规律与二维模型相似,故试件的劈裂破 坏必然从试件中心轴O0 上的某一点开始。试件 中心轴O0 上一点的等效应力 与该点到坐标 原点0的距离 之间的关系如图11所示。可以 看出,从试件几何中心0到端面中点0., 。逐渐 增大,0 处的等效应力值比0处大约40%。 rl rl 综合考虑试件垫条宽度和试件三维效应的影 l 2 ]J 1j响,建议混凝土立方体试件(垫条宽度为试件边 长的1/6)劈裂抗拉强度的计算公式为 202× (4) 式中,1.202为修正系数。 对于其他非标准尺寸的立方体试件,垫条宽 度取相同比例时,该系数同样适用。因为尺寸效 应引起的混凝土试件强度的改变需要另行考虑。 5 结 论 通过本文分析,主要得出以下结论: (1)混凝土劈裂试验当采用圆柱体试件或者 立方体试件的垫条宽度较窄时,由于加载点附近 存在明显应力集中,导致试件出现过早破坏。建 议采用平台圆柱体试件,对于立方体试件建议选 择较宽的垫条。 (2)平台圆柱体试件的相对平台宽度建议取 试件直径的1/6;立方体试件的垫条宽度建议取 试件边长的1/6。 (3)综合考虑垫条宽度和试件应力空间分布 规律的影响,建议平台圆柱体试件的劈裂抗拉强 度按照式(2)计算,立方体试件的劈裂抗拉强度 按照式(4)计算。 (4)除高径比和泊松比外,混凝土材料的抗 压、抗拉强度比的变化,对于试件劈裂抗拉强度的 确定也有一定的影响,需要进一步的研究。 张绍麟.混凝土的劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度 的理论关系和试验对比[J].长沙铁道学院学报, 1979(2):63—80. 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