混凝土劈裂抗拉强度试验的有限元分析

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1、i991年6月水电工研究第l期混凝土劈裂抗拉强度试验的有限元分析吴政杨成球【摄■】混凝土劈裂抗拉强度试验，通常采用规格为150mm的立方体标准试件和截面为5X5皿皿t，长~200mm的钢翩方垫条。当采用非标准试件时，应采用多宽的垫条才台理，这是试验人员所关心的问题。本文针对这～问题用有限元法进行了分析和比较并给出了答案。一、日IJ置混凝土劈裂抗拉强度试验，通常采用水工混凝土试验规程中规定的标准试件(150133111×150ram×150tara)和5ram宽的金属垫条。由于标准试件受骨料最大粒径的限制，因而人们往往对大试件即非标准试件更感兴趣，用大试件做出的结果更接近实际工

2、程情况。但用非标准试件时，除应考虑试件尺寸外，金属垫条是否亦存在尺寸效应是值得考虑的问题。本文用平面应力有限元法对混凝土劈裂抗拉强度试验进行了弹塑性分析。模拟了不同约束条件对混凝土劈拉强度的影响。同时用两种计算模型计算了标准试件(150ram×150ram×150mm)在给定材料参数和荷载作用下的应力情况。对比分析表明，低抗拉材料模型更适合混凝土材料。采用这种模型对不同金属垫条、约束条件及荷载作用，非标准试件(450ram×450mm×450ram)的内力情况及破坏前的临界荷载进行了计算，并与标准试件进行了比较。认为15ram宽的垫条趸适宜边长为450ram的立方体试件。探讨

3、丁混凝土试件在劈裂抗拉强度试验时的破坏过程和破坏机理。为试验选择台理的参数提供了参考依据。二、计算参数的选取(一，材料参数的选取对于标准试件(150ramx150ramx150ram)和非标准试件(450ram×450ramx450ram)，材料参数取为一致，以便于分析和比较。弹性模量=2．5x10‘MPa容重：29kN／m。泊桑比=0．167极限拉应力。=2。5MPa对于线性等内强化的vonMises模型，初始剪切屈服应力为；T=口√3=1．44MPa(=)试件尺寸参数的选取在模拟混凝土劈裂抗拉强度试验时，计算所用的试件均为立方体。不同试件所用的水电工程研究垫条宽度、计算模

4、型和作用荷载见表l。表1试件尺寸参数表^Z试件寸L(mm)1S04504504S0450450。垫条宽度W(m血)55101215l8辑荷茕曲线IⅡⅡⅡⅡⅡ牲所用计算模型1，2ll1ll注：1．计算模型1为低抗拉材科模型，2为线性等向强化的v。nMists模型。2．荷载曲线参见图102【6S10(三)加荷条件的选取将两种不同尺寸的试件分为10个加荷步进行图I荷载函数曲线均匀加荷。收敛准则采用位移准则，位移模的允许误差取为O．O1。对于不同试件的加荷过程见表2(荷载时间函数表)和图1(荷载函数曲线)。表2荷载时间函数荷载步(t)l2345678910荷载Ⅱ(kN)8116224

5、332440S4865676487298IO荷载I(kN)9182'7364S54637281’90三、有限元的处理(一)有隈元同格割分采用平面应力问题有限元法对混凝土劈裂抗拉强度试验进行模拟。单元全部采用四边形等参单元。为了比较方便，本文对边长为150ram的立方体标准试件和边长为45Omm的立方体非标准试件采取的割分形式完全相同，都是48个节点和35个单元。由于剖分的单元数量有限，而且又把它模拟化，因而可认为所加的集中荷载与均布荷载的作用效果是等同的。两种试件有限元同格剖分形式见图2和图3。(二)约束形式@面。*。国圆回@@《@勘0@@@《。@0@0@000@@00图2单

6、元剞分、荷载、约束形式l豳3单元铷分，荷载、约束形式2第1勰混凝土劈裂抗拉强度试验的有限元分析对于标准试件和非标准试件都采用两种约束形式，参见图2和图3。对于图2的约束形式表示金属垫条在试验的全过程中不允许有任何横向位移。图3的约束形式表示在试验过程中允许金属垫条产生微小的横向位移。(-)计算模型的选撂爱屈服准驯模拟混凝土劈裂抗拉强度试验时，采用了两种计算模型。一种是线性等向强化的弹塑性VOltMises模型，另一种是适台岩石和混凝土材料的低抗拉材料模型。对于这两种模型都采用了关联流动法则，未考虑材料渗水软化和温升软化等因素的影响。线性等向强化Mises模型的屈服准则为；，(

7、a，T，P，)=v-'，2一K=0式中，t——应力偏量张量的第二不变量，——屈服参数}——塑性内变量。对于弹塑性低抗拉材料模型，屈服准则为：1^，(o，f，P，)=÷，I+—，lcosO—c=0其中={arctsI式中，-——第一应力不变量}，：、，s一匣力偏量张量的第二、第三不变量}c——抗拉强度初值。四、计算结果分析(-)两种不同计算模型的选撂表3比较了低抗拉材料模型和线性等向强化Mises模型在不同荷载作用下，17、l8号单元中点1和点3的计算结果。点1和点3是四边形等参单元的高斯积分点。表中结果