钢纤维对混凝土单轴受压损伤本构模型的影响.pdf
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1、第 1 8卷第 2 期 2 0 1 5年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG M ATE RI ALS Vo1 18 NO 2 Apr , 2 01 5 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 2 1 4 0 7 钢纤维对混凝土单轴 受压损伤本构模型 的影响 宁喜亮 , 丁一 宁 ( 大连理工大学 海岸和近海工程 国家重点实验室,辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 : 基于 We i b u l 1 统计分布理论和等效应 变假 设, 推导 出纤维混凝土( S F RC ) 受压损伤本构模 型 为更好地描述钢纤维
2、对混凝土受压损伤的影响, 模 型中引入考虑纤维体积分数与纤维几何特 征的纤维因子 结合纤维混凝土单轴受压试验数据, 对模型 中的参数进行修正 , 并将修正后的理论 曲线与试验曲线进行比较 为验证模型的有效性 , 分别选取压应 变为 1 5 g p k , 2 O e 口 k 处的压应力试验 值与预测值进行对比 结果表 明: 理论 曲线与试验 曲线吻合较好 , 该模型在压应 变为 01 5 e k 时可 有效地描述单轴受压状态下纤维混凝土的损伤扩展过程以及 纤维对峰值应力后 的混凝土受压性 能的 改善作 用 关键词 : We i b u l 1 分布 ;纤维 因子 ; 损 伤模 型 ; 应 力一
3、 应 变关 系; 损 伤 变量 中图分类号: TU5 2 8 5 7 2 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 5 0 2 0 0 6 Ef f e c t o f S t e e l Fi b e r o n t h e Da ma g e Co n s t i t u t i v e M o d e l o f Co n c r e t e u nd e r Un i a x i a l Co mp r e s s i o n N I N G Xi l i a ng ,DI NG Yi n i n g
4、 ( S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Co a s t a l a n d Of f s h o r e En g i n e e r ing ,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Da l i a n 1 1 6 0 2 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :B a s e d o n t h e W e i b u l l d i s t r i b u t i o n a n d t h e h y p o t h e s i s o f s t r a
5、i n e q u i v a l e n c e ,a d a ma g e mo d e l f o r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S FRC)wa s p r o p o s e d To d e s c r i b e t h e i n f l u e n c e o f f i b e r o n t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e d a ma g e mo d e l b e t t e r ,a f i b e r f a c t o r
6、 c o n s i d e r i n g t h e f i b e r v o l u me f r a c t i o n a n d f i b e r g e o me t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c wa s i n t r o d u c e d t o t h e d a ma g e mo d e 1 A s e r i e s o f u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t wa s p e r f o r me d t o mo d i f y t h e p a r a
7、me t e r s o f t h e d a ma g e mo d e 1 Co mp a r i s o n s o f t h e c o r r e c t e d t h e o r e t i c a l c u r v e a n d t h e e x p e r i me n t a l c u r v e s we r e p e r f o r me d I n o r d e r t o v e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e d a ma g e mo d e l ,c o mp a r i s
8、o n s o f p r e d i c t e d c ompr e s s i v e s t r e s s a nd m e a s ur e d c omp r e s s i v e s t r e s s c o r r e s p o nd i ng t o t he s t r a i n a t 1 5 e p k a nd 2 O e p k we r e p e r f o r me d r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t WO c u r v e s a r e i n
9、 v e r y g o o d a g r e e me n t wi t h e a c h o t h e r Th e d a ma g e mo d e l f o r S F RC i s p r o v e d t o b e v a l i d t o d e s c r i b e t h e d a ma g e p r o g r e s s a n d r e s i d u a l c o mp r e s s i v e b e h a v i o u r o f S FRC u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o
10、n a t a r a n g e o f 01 5 e p k Ke y wo r d s :W e i b u l i d i s t r i b u t i o n;f i b e r f a c t o r ;d a ma g e mo d e l ;s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p;d a ma g e v a r i a b l e 钢 纤 维混 凝 土 ( s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , S F R C ) 是在普通混凝土中掺入三维随机
11、分布的钢纤 维所形成的一种新型多相复合材料 这些随机分布 的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展 并延缓宏观裂缝的形成, 显著改善混凝土的抗拉、 抗 弯 、 抗冲击及抗疲劳性 能, 具有 较好的延性 与耐久 性 然而, 钢纤维混凝土 的应用仅限于工业地坪 、 机场跑道和隧道 支护等工程 , 在结构设计 中考虑纤 维对混凝土抗弯、 抗剪承载力 贡献 的工程应用仍然 少见 , 主要原因之一就是对纤维混凝土 的损伤本构 收稿 日期 :2 0 1 3 1 0 1 6 ;修订 日期 :2 0 1 4 0 2 0 7 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 0 5 8 )
12、第一作者 : 宁喜亮 ( 1 9 8 4 一 ) , 男 , 吉林长春人 , 大连理工大学博士生E - ma i l :n i n g t o n ) r 1 6 3 c o rn 通信作者 : 丁一宁( 1 9 6 2 一 ) , 男 , 江苏南京人 , 大连理工大学教授 , 博士生导师 , 博 士E - ma i l : y n d i n g h o t ma i l c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 6 建筑材料学报 第 l 8卷 模型中应 变 e的密 度 函数 , 假
13、设初 始损 伤条 件 为 Ds 一 一0 , 则损伤变量 D 就是应变 的分 布函数 F( ) , 即 : D = F ( e ) 一 f ( x ) d ( 4 ) 文献 8 1 O , 1 3 1 6 考 虑了材料应力一 应变全 曲 线的特征以及材料强度服从 We i b u 1 1 分布 , 认 为材 料的损 伤 参 数 D 也 服 从 该 统 计 分 布 两 参 数 的 W e i b u I 1 分 布为 : D = 一 e x p 一 ( 寺 ) 式中: m, 1 7 分别 为形状参数和 尺度参数 , 且 m0 , O 根据连续介质损伤力学 ( C D M) , 应力一 应 变本
14、构 关 系可表示 为 : c 一 D E e E e e x p 一 ( 号 ) c 6 , 根据单轴受压混凝土应力一 应变全 曲线 ( 图 2 ) 的特征 , 两个未知参数 ( , 叩 ) 可以由边界 条件( a ) , ( b ) 确定。 ( a ) 当 一0时慨 和 一 E ; ( b ) 对应于应力 c I ( 5 ) 峰值点的应变当 。 = s p k 时 , 有 : p k 和 d o - c 一 。 图 2 混凝土受压应力一 应变关 系曲线 Fi g 2 Co mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n c u r v e o f c o n
15、 c r e t e 边界条件( a ) 显然成立 将式( 9 ) 代入式( 6 ) 并由条件( b ) , 可得 : 对式( 6 ) 等号两端应变 s 求导 , 可得 : 塞 一 E e x p 一 ( 寺 ) 一 re ( t ) 将边界条件( b ) 代入式( 7 ) , 可得: E e x p 一 ( ) m ( ) : 。 由 于 E O , e xe x p 卜( e田pk ) O 测 由 于 E I 一 ( ) I 0 , 则 : 0 由 此 可 得 : 1 ( ) 整理 得 : 一 p k f 1 ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 一 1 ( 1 O ) 将式 ( 1 O )
16、 代人式( 5 ) , 可得 : D 一 1 - e x p 一 ( 去 ) 将式( 1 1 ) 带入式( 6 ) 得混凝土单轴受压荷载作 用下 的损伤本构模型 : 一 E e e x p 一 ( 未 ) 式( 1 2 ) 即为混凝土在单轴受压荷载作用下的损 伤演化方程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 宁喜亮 , 等 : 钢纤维对 混凝 土单 轴受压损伤本构模型 的影响 2 1 7 2 试验 2 1 原 材 料 水泥 : P O 3 2 5 R普通硅酸盐水泥 ; 细骨料 : 优 质河砂 , 粒径 0 5 ml T l , 细度模数 为 2 6 ; 粗
17、 骨料 ; 碎 石 , 粒径 5 1 0 ram; 粉煤 灰: 比表面积 5 0 0 mz k g ; S i k a聚羧 酸类 高效 减 水剂 , 减水 率 3 O ( 质量 分 数) ; Dr a mi x钢纤维 : S F A, S F B 混凝土的设计强度 等级 C 2 5 , 水灰比( 质量 比) 0 5 8 , 配合 比见表 1 ; 2种 钢纤维的主要性能参数见表 2 试 验中钢 纤维 S F A 掺量为 4 O , 6 O , 8 0 k g m。 ( 对应 编号分别为 S F A4 0 , S F A6 0 , S F A8 0 ) , 钢纤维 S F B掺量为 2 O , 4
18、 0 k g m。 ( 对应编号分别为 S F B 2 0 , S F B 4 0 ) 衷 1 混凝配合比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e k g m。 裹 2 钢纤维性能参数 Ta b l e 2 P r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r s 2 2 试件制作和养护 依据 C E CS 1 3: 2 0 0 9 纤 维 混 凝 土 试 验 方法 标准 制 备 混凝 土 立方 体 抗 压试 件 , 试 件 尺 寸 为 1 5 0 mm1 5 0 I T l m1 5
19、0 mm 试 件 浇筑成 型 2 4 h 后拆模 , 在标 准养护条件下养 护 2 8 d后进 行抗压 试 验 2 3 试 验 设备 及控 制 试验加载设备为 3 0 0 0 k N液压伺服压力试验 机 , 试件标距取 1 5 0 mm 采用位移闭环控制 , 加载速 率为 1 0 _ 。 mm s 试件 的两侧 面标距 内采用 2个线 性差动可变位移传感器( L VD T) 测量试件竖向变形 量 , 通过 I MC数据采集系统与计算机连接 , 实现数 据的动态采集 , 采集频率为 5 0 Hz 3 试验 结果与分析 表 3 列出了单轴受压下钢纤维混凝土受压损伤本 构模型参数 由于钢纤维掺量较低
20、, 对混凝土弹性模量 的影响可不予考虑 , 将其取为素混凝土割线模量 裹 3 单轴受压下钢纤维混凝土损伤本构模型参数 Ta b l e 3 Pa r a me t e r s o f s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e da ma g e c o n s t i t u t i v e mo d e l u n d e r u n l a x i a l c o m p r e s s i o n No t e : F i s f i b e r f a c t o r s p k i s t h e p e a k c o
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