确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法

确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法
【专利摘要】本发明属于土木与水利工程领域，特别是涉及一种确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，该方法通过确定的混凝土材料参数—拉伸强度ft与断裂韧度KIC，可个性化确定带裂缝的不同砂浆或混凝土构件或结构型式的峰值荷载Pmax。本发明方法形式简单，具有足够精度。
【专利说明】
确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法
技术领域
[0001] 本发明属于土木与水利工程领域，特别是涉及一种确定带裂缝砂浆或混凝土构件 峰值荷载的方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土构件或结构的主要组成为骨料、砂与水泥浆等，因此，混凝土从本质上不是 均质材料，而是典型的非均质准脆性材料。混凝土骨料分布的随机性、混凝土浇筑条件与养 护条件等，都会对混凝土构件或结构的试验结果产生很大影响。因此，采用混凝土制作的构 件或结构，其试验结果的离散性是其固有属性。
[0003] 对于混凝土构件来说，其骨料粒径与试件尺寸的比值一般在5~20倍。由于混凝土 的骨料粒径与构件或结构的比值相对较小，骨料分布对其性能结果影响很大。比如同样条 件下浇筑8个混凝土试件，试验结果可能得到8个不同的峰值荷载。目前的研究只能定性说 明8个试件结果的差异性或离散性，而定量确定混凝土试验结果的离散性是亟待解决的技 术问题。

【发明内容】

[0004] 针对上述问题，本发明提出一种可个性化确定带裂缝砂衆或混凝土构件峰值荷载 的方法，该方法通过确定的混凝土材料参数(拉伸强度ft、断裂韧度Κκ)来个性化确定带裂 缝的不同砂浆或混凝土构件或结构型式的峰值荷载P max，本发明方法形式简单，具有足够精 度。
[0005] 为解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案实现： 设计一种确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，包括以下步骤： 一、根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度asae由式(1)计算：
根据应力强度因子手册，确定不同构件的几何影响参数Υ(α)。
[0006] 若采用三点弯曲梁试件，则

若采用紧凑拉伸或楔入劈拉试件，则
[0007]二、将已知确定的试件砂浆或混凝土的材料参数一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入 弹塑性理论公式(4)，即可计算出〇n(pmax)值。
三、对于三点弯曲梁试件，基于求得的〇n(Pmax)，可由弹塑性理论公式(5)，通过取不同 的值，解出试件的个性化的峰值荷载Pmax:
对于紧凑拉伸或楔入劈拉试件，基于求得的〇n(Pmax)，可由弹塑性理论公式(6)，通过β 取不同的值，从而解出试件的个性化的峰值荷载Pmax:
以上各式中，Wi= W - aQ;W2=Wi - (β · cUH，+ (β · dmax);W为试件高度，L为试件 长度，B为试件厚度;Pmax为峰值荷载；aQ为初始裂缝长度，β · dmax为峰值荷载Pmax对应的初 始裂缝尖端的裂缝扩展量;dmax为砂浆或混凝土骨料最大粒径。α为缝高比，即初始裂缝长度 ao与试件高度W的比值;Α(α)为试件形状影响参数，对三点弯曲梁和楔入劈拉试件取不同 值;σ η为考虑裂缝影响的名义应力;β为考虑试件结果离散性的调整系数，β不是定值，为精 确个性化求解每个试件峰值荷载，β可在0.1~2.0之间离散取值，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、 0.6、0.7、0.8~2.0;￥(€〇为几何影响参数。
[0009] 本发明具有以下积极有益的技术效果： (1)本发明通过混凝土材料参数一拉伸强度与断裂韧度，能够个性化确定不同试件结 构的峰值荷载。
[0010] (2)通过参数β · dmax来考虑峰值荷载对应的裂缝扩展量。从统计角度β=1.0,可预 测整体构件峰值荷载的平均值;而当β取〇.1、〇.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8~2.0，又可精 确个性化求解每个试件峰值荷载。
【附图说明】
[0011] 图1为外荷载Ρ-位移S曲线示意图（相同构件对应不同的峰值荷载pmax); 图2为平均意义上的峰值荷载时裂缝扩展跨越骨料示意图（考虑试验结果平均值时β= 1.0)； 图3为实际情况个性化的峰值荷载时裂缝扩展跨越骨料示意图（个性化确定峰值荷载 时β=0·1、0·2、0·3、0·4、0·5、0·6、0·7、0·8···2·0)。
【具体实施方式】 下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。以下实施例中所 涉及的一些步骤或方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料如无特别说 明，均为市售材料。
[0012] 实施例1确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，包括以下步骤： 浇筑相同尺寸、相同缝高比的混凝土三点弯曲梁构件4个，其试件尺寸L X Β X W=320 X 40 X 80mm，其中W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度，试件满足L/W=4。其初始裂 缝长度相同a〇 =24mm，即a〇/W=0.3都一致。其骨料最大粒径dmax=10 mnuW/dmax = 8。已知该混 凝土材料特性一拉伸强度ft=4.7MPa，断裂韧度Κκ=1.3 MPa · m1/2。
[0013] 根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度可由式（1)计算。 根据应力强度因子手册，可以确定不同构件或结构型式的几何影响参数Υ(α)，三点弯曲梁 可由式（2)计算。
[0014] 将已知确定的该试件混凝土的材料参数一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入弹式 (4)，推出 〇n(Pmax)值。
[0015] 由式(5)，通过β取不同的值，从而反解出不同试件的个性化的峰值荷载Pmax。参见 图1，由于混凝土类准脆性材料自身特性决定，即使浇筑相同尺寸相同型式的构件，每个构 件的峰值荷载也不尽相同。
[0016] 参见图2,从统计角度考虑，β=1.0可预测整体构件峰值荷载的平均值。
[0017]参见图3,考虑到试验结果的离散性，对于每个试件峰值荷载试验值的预测，则β= 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8~2.0，利直不是定值，取值范围大小与材料性能离散性 相关。
[0018] 参见表1，对于本实施例的4个相同尺寸相同缝高比的试件，其实测峰值荷载都不 相同。采用本发明方法，4个试件的β分别取不同值0.9、1.1、0.8、0.7，预测值就会分别与4个 峰值荷载试验值很好吻合。β=1.〇能够预测整体4个构件的平均值。
[0019] 表1个性化确定四个带裂缝构件的峰值荷载
[0020]实施例2确定带裂缝砂衆或混凝土构件峰值荷载的方法，包括以下步骤： 浇筑相同尺寸、相同缝高比的混凝土三点弯曲梁构件4个，其试件尺寸L X Β X W=320 X 40 X 80mm，其中W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度，试件满足L/W=4。其初始裂 缝长度相同a〇 =32mm，即a〇/W=0.4都一致。其骨料最大粒径dmax=10 mnuW/dmax = 8。已知该混 凝土材料特性一拉伸强度ft=4.7MPa，断裂韧度Κκ=1.3 MPa · m1/2。
[0021]根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度可由式（1)计算。 根据应力强度因子手册，可以确定不同构件或结构型式的几何影响参数Υ(α)，三点弯曲梁 可由式（2)计算。
[0022]将已知确定的该试件混凝土的材料参数一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入弹式 (4)，推出 〇n(Pmax)值。
[0023] 由式(5)，通过β取不同的值，从而反解出不同试件的个性化的峰值荷载Pmax。参见 图1，由于混凝土类准脆性材料自身特性决定，即使浇筑相同尺寸相同型式的构件，每个构 件的峰值荷载也不尽相同。
[0024] 参见图2,从统计角度考虑，β=1.0可预测整体构件峰值荷载的平均值。
[0025] 参见图3,考虑到试验结果的离散性，对于每个试件峰值荷载试验值的预测，则β= 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8~2.0，利直不是定值，取值范围大小与材料性能离散性 相关。
[0026] 参见表2,对于本实施例的4个相同尺寸相同缝高比的试件，其实测峰值荷载都不 相同。采用本发明方法，4个试件的β分别取不同值1.6、0.9、1.1、1.3，预测值就会分别与4个 峰值荷载试验值很好吻合。β=1.〇能够预测整体4个构件的平均值。
[0027]表2个性化确定四个带裂缝构件的峰值荷载
[0028] 实施例3确定带裂缝砂衆或混凝土构件峰值荷载的方法，包括以下步骤： 浇筑相同尺寸、相同缝高比的混凝土三点弯曲梁构件4个，其试件尺寸LXBXW =400 X 100 X 100 mm，其中W为试件高度，Β为试件厚度，L为试件有效长度，试件满足L/W=4。其 初始裂缝长度相同a〇=40mm，即a〇/W=0.4都一致。其骨料最大粒径dmax=20 mnuW/dmax = 5。已 知该混凝土材料特性一拉伸强度ft=4.7MPa，断裂韧度Κκ=2.2 MPa · m1/2。
[0029] 根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度ae<3ae可由式（1)计算。 根据应力强度因子手册，可以确定不同构件或结构型式的几何影响参数Υ(α)，三点弯曲梁 可由式（2)计算。
[0030] 将已知确定的该试件混凝土的材料参数一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入弹式 (4)，推出 〇n(Pmax)值。
[0031] 由式(5)，通过β取不同的值，从而反解出不同试件的个性化的峰值荷载Pmax。参见 图1，由于混凝土类准脆性材料自身特性决定，即使浇筑相同尺寸相同型式的构件，每个构 件的峰值荷载也不尽相同。
[0032] 参见图2,从统计角度考虑，β=1.0可预测整体构件峰值荷载的平均值。
[0033] 参见图3,考虑到试验结果的离散性，对于每个试件峰值荷载试验值的预测，则β= 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8~2.0，利直不是定值，取值范围大小与材料性能离散性 相关。
[0034]参见表3,对于本实施例的4个相同尺寸相同缝高比的试件，其实测峰值荷载都不 相同。采用本发明方法，4个试件的β分别取不同值0.9、1.2、0.95、1.0,预测值就会分别与4 个峰值荷载试验值很好吻合。β=1.〇能够预测整体4个构件的平均值。
[0035]表3个性化确定四个带裂缝构件的峰值荷载
[0036]实施例4确定带裂缝砂衆或混凝土构件峰值荷载的方法，包括以下步骤： 浇筑相同尺寸、相同缝高比的混凝土三点弯曲梁构件5个，其试件尺寸L X Β X W =400 X 100 X 100 mm，其中W为试件高度，Β为试件厚度，L为试件有效长度，试件满足L/W=4。其 初始裂缝长度相同a〇 =50mm，即a〇/W=0.5都一致。其骨料最大粒径dmax=20 mnuW/dmax = 5。已 知该混凝土材料特性一拉伸强度ft=4.7MPa，断裂韧度Κκ=2.2 MPa · m1/2。
[0037]根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度可由式（1)计算。 根据应力强度因子手册，可以确定不同构件或结构型式的几何影响参数Υ(α)，三点弯曲梁 可由式（2)计算。
[0038]将已知确定的该试件混凝土的材料参数一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入弹式 (4)，推出 〇n(Pmax)值。
[0039] 由式(5)，通过β取不同的值，从而反解出不同试件的个性化的峰值荷载Pmax。参见 图1，由于混凝土类准脆性材料自身特性决定，即使浇筑相同尺寸相同型式的构件，每个构 件的峰值荷载也不尽相同。
[0040] 参见图2,从统计角度考虑，β=1.0可预测整体构件峰值荷载的平均值。
[0041]参见图3,考虑到试验结果的离散性，对于每个试件峰值荷载试验值的预测，则β= 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8~2.0，利直不是定值，取值范围大小与材料性能离散性 相关。
[0042]参见表4,对于本实施例的5个相同尺寸相同缝高比的试件，其实测峰值荷载都不 相同。采用本发明方法，5个试件的β分别取不同值0.55、0.85、1.0、1.1、1.4，预测值就会分 别与5个峰值荷载试验值很好吻合。β=1.0能够预测整体5个构件的平均值。
[0043]表4个性化确定四个带裂缝构件的峰值荷载
[0044]对所公开实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明，但显然 所描述的实施例仅为本发明示意性的部分【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围，任 何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应 属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 根据所用试件类型，确定不同带裂缝构件的等效裂缝长度auae由式(1)计算：(1) 式中，a〇为初始裂缝长度;α为缝高比，即初始裂缝长度Μ与试件高度W的比值;Α(α)为试 件形状影响参数，对三点弯曲梁和楔入劈拉试件取不同值;Υ(α)为几何影响参数； (2) 将已知确定的试件砂浆或混凝土的材料参数一一拉伸强度ft和断裂韧度Κκ代入弹 塑性理论公式(4)，即可计算出〇n(P max)值：(4) 式中，Pmax为峰值荷载;ση为考虑裂缝影响的名义应力； (3) 基于求得的〇n(Pmax)，由弹塑性理论公式，通过β取不同的值，解出试件的所对应的个 性化的峰值荷载Ρ_ χ;β为考虑试件结果离散性的调整系数。2. 根据权利要求1所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于:在 所述步骤(1)中，根据应力强度因子手册，按常规方法确定不同构件的几何影响参数Υ(α)。3. 根据权利要求1所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于:在 所述步骤(1)中，若采用三点弯曲梁试件，则式中，L为试件长度，W为试件高度。4. 根据权利要求1所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于:在 所述步骤(1)中，若采用紧凑拉伸或楔入劈拉试件，则5. 根据权利要求1所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于： 在所述步骤（3)中，对于三点弯曲梁试件，基于求得的〇n(Pmax)，可由弹塑性理论公式 (5)，通过取不同的值，解出试件的个性化的峰值荷载Pmax:式中，W - awWfWi - (β · cUxhWpWi + ( β · dmax);W为试件高度，L为试件长度，B 为试件厚度;PmX为峰值荷载;ao为初始裂缝长度，β · dmax为峰值荷载Pmax对应的初始裂缝尖 端的裂缝扩展量;dmax为砂浆或混凝土骨料最大粒径。6. 根据权利要求1所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在于： 在所述步骤(3)中，对于紧凑拉伸或楔入劈拉试件，基于求得的 〇n(Pmax)，可由弹塑性理 论公式(6)，通过β取不同的值，从而解出试件的个性化的峰值荷载Pmax:式中，W - awWfWi - (β · cUxhWpWi + (β · dmax);W为试件高度，L为试件长度，B 为试件厚度;PmX为峰值荷载;ao为初始裂缝长度，β · dmax为峰值荷载Pmax对应的初始裂缝尖 端的裂缝扩展量;dmax为砂浆或混凝土骨料最大粒径。7. 根据权利要求5或6所述确定带裂缝砂浆或混凝土构件峰值荷载的方法，其特征在 于:所述β在0.1~2.0取值。
【文档编号】G01N3/20GK105865916SQ201610231190
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】管俊峰, 胡晓智, 姚贤华, 白卫峰
【申请人】华北水利水电大学