雙場(chǎng)耦合下的混凝土損傷斷裂性能測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混凝土損傷斷裂性能測(cè)試方法，屬于物理測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前研究混凝土斷裂性能的主要方法之一是測(cè)試帶切口的三點(diǎn)彎曲梁，測(cè)試帶切 口的三點(diǎn)彎曲梁也是得到混凝土斷裂參數(shù)（主要包括韌度、斷裂能等）的主流測(cè)試方法。
[0003] 行業(yè)內(nèi)已有標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)規(guī)程DL/T5332-2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》，在此基 礎(chǔ)之上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸、非標(biāo)準(zhǔn)尺寸、帶鋼筋的三點(diǎn)彎曲梁已有大量的實(shí)驗(yàn)研究，都到了相應(yīng) 的理論以及經(jīng)驗(yàn)公式。該行業(yè)規(guī)程的方法只需測(cè)得裂縫口張開位移、荷載即可計(jì)算得到斷 裂參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了行業(yè)的一致認(rèn)可。
[0004] 但是，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的行業(yè)規(guī)程DL/T5332-2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》中 提出的帶切口的三點(diǎn)彎曲梁并不能貼切的反映實(shí)際工程中的損傷裂縫問題，測(cè)試的方法 不夠全面。具體如下：
[0005] 1.實(shí)際工程中的混凝土裂縫經(jīng)常會(huì)處于較為惡劣的環(huán)境之中，如酸雨、海水浸泡 等，會(huì)影響混凝土材料的性能，材料的強(qiáng)度會(huì)降低，混凝土?xí)艿角治g等損傷破壞，其斷裂 性能也勢(shì)必會(huì)受到影響?！端せ炷翑嗔言囼?yàn)規(guī)程》中規(guī)定的三點(diǎn)彎曲梁法只是在良好的 實(shí)驗(yàn)室條件下混凝土梁的斷裂性能，其測(cè)試結(jié)果不能反映實(shí)際的工程問題。
[0006] 2.實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的使用過程中，如何對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷進(jìn) 行準(zhǔn)確判斷，以用于判斷混凝土結(jié)構(gòu)的使用價(jià)值以及其的初始損傷程度與斷裂性能目前尚 待進(jìn)一步的研究，可以對(duì)進(jìn)一步預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命具有指導(dǎo)意義。
[0007] 3.實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)裂縫的尖端是一直處于荷載作用之下，持續(xù)的荷載會(huì)產(chǎn)生微 裂紋，尤其是在裂縫尖端處，持續(xù)的荷載的作用會(huì)出現(xiàn)較大混凝土塑性區(qū)，其斷裂性能將會(huì) 降低?！端せ炷翑嗔言囼?yàn)規(guī)程》中的混凝土斷裂性能都是出于對(duì)混凝土基本性能的考 慮，未考慮荷載的等作用下的實(shí)際情況。
[0008] 4.實(shí)際工程中的混凝土出現(xiàn)裂縫的頻率很高，且實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)往往是處于多 種荷載以及環(huán)境條件耦合作用下混凝土斷裂性能?！端せ炷翑嗔言囼?yàn)規(guī)程》中并沒有提 供出復(fù)雜環(huán)境與荷載耦合作用下的斷裂測(cè)試性能裝置。
[0009] 綜上所述，對(duì)環(huán)境條件與荷載兩者耦合條件下帶有損傷的混凝土試件斷裂參數(shù)進(jìn) 行準(zhǔn)確測(cè)試計(jì)算具有重大意義和應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種在對(duì)實(shí)際工程 的環(huán)境條件與荷載進(jìn)行模擬后的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的混凝土損傷斷裂 性能測(cè)試方法。
[0011] 本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是，在解決第一個(gè)技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有 技術(shù)不足，提出一種實(shí)際工程的環(huán)境條件與荷載進(jìn)行模擬的雙場(chǎng)耦合下的混凝土損傷斷裂 性能測(cè)試方法。
[0012] 本發(fā)明為解決上述第一個(gè)技術(shù)問題提出的技術(shù)方案是：
[0013] 一種雙場(chǎng)耦合下的混凝土損傷斷裂性能測(cè)試方法，包括以下步驟：
[0014] 1)在基座上放置有頂面開口的環(huán)境箱，所述環(huán)境箱內(nèi)設(shè)有上下相對(duì)的上、下傳力 板，所述上、下傳力板之間設(shè)有三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁和預(yù)加荷載裝置，所述下傳力板設(shè)于所述 環(huán)境箱的底面上，所述下傳力板和三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁之間設(shè)有兩個(gè)支撐座，所述上傳力板 和三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁之間設(shè)有一個(gè)施力座，每個(gè)支撐座到其相鄰三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的一 端的距離是l〇cm，所述施力座位于三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的頂面中點(diǎn)處；所述三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn) 梁上設(shè)有應(yīng)變測(cè)量裝置，所述上傳力板上設(shè)有位于三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的頂面中點(diǎn)處的荷載 量測(cè)裝置；
[0015] 2)所述預(yù)加荷載裝置通過施力座向所述三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁施加并保持預(yù)加荷載 FY，同時(shí)向所述環(huán)境箱內(nèi)加設(shè)有用于加速腐蝕三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁到設(shè)定腐蝕度的環(huán)境模擬 溶液；
[0016] 3)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁經(jīng)過腐蝕耦合作用后，壓力機(jī)通過施力座向所述三點(diǎn)彎曲梁 試驗(yàn)梁施加測(cè)試載荷F，通過荷載量測(cè)裝置測(cè)出施加的最大測(cè)試荷載Fniax，通過應(yīng)變測(cè)量裝 置測(cè)出起裂荷載Fq，所述三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁上設(shè)有聲發(fā)射檢測(cè)儀；；
[0017] 4)所述聲發(fā)射檢測(cè)儀接收三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的聲發(fā)射信號(hào)并通過無損傷的三點(diǎn) 彎曲試驗(yàn)梁測(cè)試推算出該批次的混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射參數(shù)a，b，c，擬合耦合作用后的三點(diǎn) 彎曲梁試驗(yàn)梁的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試曲線σ-ε，測(cè)算出三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的初始損傷D。：
[0018] σ = ε Ε*(I-D) = ε E*[l-D0_kc 0 aexp(b 0 )]
[0019] 式中，E*為三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁沒有損傷時(shí)的彈性模量，k為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
[0020] 根據(jù)損傷力學(xué)原理，材料的損傷可用損傷因子D來表示：
[0021] D = 1-E/E* (1)
[0022] 式中，C為材料沒有損傷時(shí)的彈性模量，E為材料在任意損傷狀態(tài)下的彈性模量。
[0023] 應(yīng)力狀態(tài)下材料的損傷模型為：
[0024] σ = ε E(I-D) (2)
[0025] 式中，σ表示材料應(yīng)力，ε表示材料的應(yīng)變。
[0026] 通過對(duì)混凝土材料聲發(fā)射機(jī)理的分析，得出混凝土材料損傷的聲發(fā)射模式，即混 凝土材料的損傷程度與聲發(fā)射事件數(shù)成正比：
[0027] D (i) = kN(i) = kc σ aexp (b σ ) (3)
[0028] 式中，D(i)是第i階段的材料損傷情況，k是與試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)；N(i)是一種 材料達(dá)到其形變狀態(tài)所產(chǎn)生的振鈴脈沖總數(shù)；a、b、c是聲發(fā)射參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)算確定。
[0029] 混凝土受酸性溶液腐蝕作用初始損傷較為顯著，而且由于預(yù)加荷載的作用，存在 著初始裂縫尖端微裂紋的產(chǎn)生，形成荷載對(duì)混凝土的塑形損傷。因此，對(duì)本試驗(yàn)中混凝土的 損傷變量和本構(gòu)方程，需要計(jì)入初始損傷的影響。令D。為初始損傷因子，式（2)和（3)可 以重新表示為：
[0030] D = D〇+kN = D〇+kc σ aexp (b σ ) (4)
[0031] σ = ε E*(1_D) = ε E*[l-D0_kc σ aexp (b σ ) ] (5)
[0032] 通過對(duì)無任何損傷的同批次三點(diǎn)彎曲梁的荷載對(duì)比組的測(cè)試，擬合相對(duì)應(yīng)力水平 與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)N的曲線，得到該批次的混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射參數(shù)a，b，c。并對(duì)無任何 損傷的同批次三點(diǎn)彎曲梁的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試曲線（σ-ε)的擬合，由式（3)可以得到實(shí)驗(yàn)參 數(shù)k，以及無損傷的混凝土彈性模量E'
[0033] 確定參數(shù)E' k、a、b、c之后，擬合本實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的中耦合損傷的混凝土梁的應(yīng) 力應(yīng)變測(cè)試曲線（σ-ε)，可以測(cè)算出初始損傷D。。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室混凝土的結(jié)構(gòu)損傷判斷與 識(shí)別。
[0034] 可見，物質(zhì)（材料）與環(huán)境介質(zhì)作用而引起的惡化變質(zhì)，性能降低以至于損壞（破 壞）的腐蝕現(xiàn)象是一種比較緩慢的化學(xué)過程，但這種緩慢腐蝕作用的累積效應(yīng)從物體表面 結(jié)構(gòu)改變深入到物體內(nèi)部，可使混凝土等材料礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變 化，造成不良的工程效應(yīng)。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，由此帶來以下效果：
[0035] 通過在對(duì)實(shí)際工程的環(huán)境條件與荷載進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬后的三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn) 梁的損傷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，可用于判斷混凝土結(jié)構(gòu)的使用價(jià)值以及其的初始損傷程度與斷裂 性能的研究，可以對(duì)進(jìn)一步預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命具有指導(dǎo)意義。
[0036] 本發(fā)明為解決上述第二個(gè)技術(shù)問題提出的技術(shù)方案是：
[0037] 當(dāng)預(yù)加荷載裝置通過施力座向所述三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁施加并保持的預(yù)加荷載Fy使得三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁的荷載尖端產(chǎn)生微裂縫及塑性區(qū)時(shí)，按照下式計(jì)算起裂韌度和 失穩(wěn)韌度
[0038] 起裂韌度At的計(jì)算：
[0042]
，a。為初始裂縫長(zhǎng)度，a'為有效裂縫長(zhǎng)度，α為耦合 作用后有效裂縫長(zhǎng)度縫高比，S為試件兩支座間的跨度，t為試件厚度，h為試件高度，m為 試件支座間的質(zhì)量，通過試件總質(zhì)量按S/L比折算，/_(</?)一實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍在0. 82~ 1. 15之間；
[0043] 失穩(wěn)韌度JTj的計(jì)算：
[0044]
[0045] 其中

[0048] h。為裝置夾式引伸計(jì)刀口薄鋼板的厚度，V c為裂縫口張開位移臨界值；E'為折算 彈性模量，E' = Ei (1-D。)，η為實(shí)驗(yàn)修正系數(shù)，取值范圍為〇. 88~1. 14。
[0049] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，由此帶來以下效果：
[0050] 1.在化學(xué)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)激勵(lì)環(huán)境下的進(jìn)行混凝土斷裂性能的測(cè)試，將三點(diǎn)彎曲梁 試驗(yàn)梁置于環(huán)境箱內(nèi)，預(yù)加荷載裝置通過施力座向三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁施加并保持預(yù)加荷載 FY，并加入環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)裂縫尖端處于耦合激勵(lì)作用，可以現(xiàn)實(shí)混凝土損傷斷裂性能的實(shí) 時(shí)測(cè)試，可為混凝土裂縫的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及斷裂韌度提供依據(jù)；
[0051] 2.本發(fā)明提供的耦合環(huán)境下混凝土加載裝置，保證了裂縫處的預(yù)加荷載與三點(diǎn) 彎曲梁法一致，且可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境與荷載同時(shí)作用下的混凝土梁的斷裂性能測(cè)試，其加載裝 置可以更加貼切的模擬混凝土實(shí)際過程中的受力情況，測(cè)試方法仍是按照三點(diǎn)彎曲梁法進(jìn) 行，操作簡(jiǎn)單易行，得出復(fù)雜情況下的斷裂參數(shù)計(jì)算公式，可進(jìn)一步的促進(jìn)復(fù)雜環(huán)境下的混 凝土斷裂性能的測(cè)試，補(bǔ)充DL/T5332-2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》以及《應(yīng)力強(qiáng)度因 子手冊(cè)》。
[0052] 上述技術(shù)方案的改進(jìn)是：所述環(huán)境模擬溶液是海水，所述環(huán)境箱內(nèi)設(shè)有電極。
[0053] 上述技術(shù)方案的改進(jìn)是：所述環(huán)境箱的外側(cè)設(shè)有循環(huán)箱，所述環(huán)境箱和循環(huán)箱之 間設(shè)有抽水栗。
[0054] 上述技術(shù)方案的改進(jìn)是：所述現(xiàn)有的三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁是《水工混凝土斷裂試驗(yàn) 規(guī)程》中的三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)梁。
[0055] 上述技術(shù)方案的改進(jìn)是：所述荷載量測(cè)裝置是荷載傳感器，所述應(yīng)變測(cè)量裝置是 粘貼在預(yù)制裂縫尖端兩