一种考虑轴拉试验偏心现象下混凝土断裂韧度计算方法与流程

本发明涉及混凝土性能测试，具体涉及一种考虑轴拉试验偏心现象下混凝土断裂韧度计算方法。

背景技术：

1、我国拥有的水资源总量在世界排名第六，是世界上河流最多的国家，4.5万余条河流纵横交错遍布960万平方千米的大地，其中境内有超过5000条的河流流域面积在100km2以上，年径流量约达27115亿m3。由于我国地势存在西高东低，这样优越的条件使我国拥有总量巨大的水能资源，但是我国人口居世界首位，导致我国人均水资源占有量低，而水电作为一种清洁的可再生能源，为我国的经济发展提供充沛的自然资源基础，对其开发和利用为促进国民经济和保障能源安全具有重要的作用。截止到2021年，我国的水电装机容量达3.91亿千瓦，

2、水力发电总量达到1.34万亿千瓦时，占世界发电总量的30％左右，居世界首位。根据发电总量排名全球前十的水电站我国占五个，分别是第一的三峡水电站(2250万千瓦时)、第二的白鹤滩水电站(1600万千瓦时)、第四的溪洛渡水电站(1386万千瓦时)、第七的乌东德水电站(1020万千瓦时)和第九的向家坝水电站(784万千瓦时)。我国超过30m的大坝数量约6539，居于世界首位。

3、我国已建的200m-300m高坝中，超过一半以上为拱坝和重力坝为主，例如2013年完工的坝高305m的锦屏一级拱坝、2010年完工的坝高292m的小溪湾拱坝和2009年完工的龙滩重力坝等。而这些大体积混凝土结构在浇筑的过程中，由于材料的收缩、温度变化和基岩变形等原因，混凝土坝内和混凝土与基岩界面内的裂缝不可避免，这些裂缝由于荷载等的外界影响可能扩展为宏观裂缝，例如1969年我国的坝高104m的柘溪重力坝迎水表面出现的裂缝向下游扩展，甚至延伸至基岩；奥地利坝高200m的kolnbrein拱坝随蓄水位的升高坝踵处出现裂缝。裂缝的扩展会降低混凝土材料性能，从而削弱坝体稳定引起事故，裂缝扩展到坝基可能会成为渗水通道或者破坏帷幕灌浆，引起扬压力增大，对坝体抗滑稳定产生不利影响。混凝土抗拉性能较低，在静水荷载作用或地震动荷载作用下，裂缝尖端处存在较大的拉应力可能迅速扩展，从而造成坝体破坏，例如加拿大坝高175m的revelstoke重力坝运行多年后出现裂缝，造成严重渗水；印度坝高103m的koyna重力坝在1967年遭受6.5级地震造成非溢流坝坝段产生多条水平裂缝甚至贯穿坝体，大坝下游侧出现渗漏。

4、试验研究是获取混凝土断裂参数最直接的途径，包括静态荷载和动态荷载作用下的轴拉断裂试验，计算得到断裂参数，为研究大坝断裂性能提供参考；但目前的混凝土轴拉试验中缺少考虑偏心现象，轴拉试验最主要的难点在于保证对中，即不偏心，但是实际很难保证。本发明在轴拉试验的数值模拟中考虑了偏心影响因素，使得求出来的断裂参数更加符合实际。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑轴拉试验偏心现象下混凝土断裂韧度计算方法，通过考虑偏心加载、准确计算断裂韧度和进行敏感性分析，解决了传统轴拉试验中偏心加载问题。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种考虑轴拉试验偏心现象下混凝土断裂韧度计算方法，包括以下步骤：

4、s1：试件的制备及预设裂缝：在制作的钢制试模中进行试件的浇筑，运用平板振捣器和插入式振捣棒进行充分振捣密实后将上表面进行磨平处理。

5、s2：材料参数确定：制作边长为100mm的立方体混凝土试块，同等条件下养护。90天龄期后开展单轴压缩试验，最终得到混凝土力学参数，包括抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量和泊松比。

6、s3：测定试件整体变形：在试件沿环向每90°均匀布置4个激光位移计，用于测定试件整体变形。试验采用位移加载方式控制，可以获得试件的荷载(p)-加载点位移(δ)。

7、s4：建立三维有限元模型：根据混凝土试件的几何形状和加载方式，建立三维有限元模型。模型中包括试件的几何参数和材料参数，包括直径、长度和裂缝的长度，以及弹性模量和泊松比；

8、s5：断裂韧度计算：根据试验与数值模拟相结合的办法计算混凝土试件的断裂参数。基于线弹性本构关系，采用扩展有限元法计算裂缝扩展前的应力强度因子k，对应的模型的拉力为p，根据试验峰值荷载pmax计算出的应力强度因子即为断裂韧度kc，即kc＝(pmax/p)k。分别计算均匀加载形式和考虑试验偏心现象的断裂韧度，对比后者提高的幅度。

9、进一步的，所述步骤s1还包括：对试件覆盖湿棉被以防止水分流失，养护3～5天后拆模，之后将试件放置温度20℃、湿度98％的养护室养护至90天，运抵实验室后预制裂缝。采用切割机在混凝土试件中部高度处进行切割，形成环形预制裂缝，其中试件直径d＝450mm，高度h＝450mm，预制裂缝长度与试件直径比值为0.2。

10、进一步的，所述步骤s4中还包括位移加载，包含均匀加载形式和考虑试验过程偏心现象的偏心加载形式。其中，均匀加载形式在有限元模型的上表面直接施加均匀分布力，而偏心加载形式在有限元模型上表面施加平面位移荷载。平面位移荷载是根据试验中峰值荷载时刻激光位移计测得的位移拟合得到，即以初始状态建立空间直角坐标系，试件底部中心点为原点，沿模型底面沿激光位移布置方向且相互垂直分别为x，y轴，沿试件高度方向为z轴。根据激光位移计可以得到峰值荷载时刻四个位置位移，分别为u1、u2、u3、u4，对应直角坐标系坐标为(d/2，0，u1)、(0，d/2，u2)、(-d/2，0，u3)、(0，-d/2，u4)。设平面方程坐标为x+ay+bz+c＝0，分别取三个点带入方程求解，根据得到的方程计算第四个点的位移与真实位移进行对比，从而找到拟合效果最好的平面方程即为所需。

11、另一方面，本发明提出上述方法在混凝土轴拉试验断裂韧度研究中的应用。

12、本发明的有益效果：

13、采用了轴拉试件形式：三点弯曲试验试件的自重对试验影响较大且在制备大体积混凝土时不易搬运；楔入劈拉试验由于竖向荷载引起附加力矩会影响裂缝尖端应力场从而影响断裂参数。而单轴拉伸试验测量的抗拉强度最接近试件真是强度，也是测量拉伸特性的最直接方法，试件制备方便简捷，可采用切割机进行预制裂缝处理从而可以开展断裂试验。

14、监测了试验过程中的偏心现象：轴拉试验由于端部应力集中，因而在试验过程中可能出现偏心现象，试验常通过球铰接头来消除该现象。本发明利用激光位移计测量试件的整体变形发现该现象仍然存在。

15、提供了准确计算试件断裂韧度的方法：基于激光位移计数据，通过建立平面位移方程，施加在三维有限元模型，进而模拟试验过程中的偏心现象。这样可以更精确地计算考虑试验过程中偏心现象的断裂韧度，为混凝土结构的设计和评估提供了更准确的理论依据。敏感性分析优化参数选取：本发明通过敏感性分析，评估了应变率和是否考试试验过程中的偏心现象对断裂韧度的影响程度。这有助于优化参数选取，提高计算结果的准确性和可靠性。

16、综上所述，本发明通过考虑试验过程中的偏心现象、准确计算断裂韧度和进行敏感性分析，解决了轴拉试验中偏心加载问题，并提供了一种准确计算混凝土试件断裂韧度的方法。这不仅有助于准确评估混凝土结构的断裂性能和优化设计，还拓宽了混凝土断裂试验的研究领域，为混凝土结构的安全性评估和设计提供了更多的信息。

17、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。