维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第２期 ２００７年６月 黑龙江水专 学报 Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｊｕｎ．，２００７ 文章编号：１０００—９８３３（２００７）０２—００６５—０３ 碾压混凝土劈裂抗拉的数值分析 屈彦玲 ，彭一江２，杜玉林 （１．石家庄铁路职业技术学院土木系，石家庄０５００４１；２．北京交通大学力学研究所，北京１０００８１） 摘要：碾压混凝土的强度关系到碾压混凝土结构的安全。采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构，利用有限元方法数值 模拟碾压混凝土试件劈裂抗拉的细观损伤断裂，并对其劈裂抗拉破坏过程进行了研究。 关键词：碾压混凝土；劈裂抗拉；数值分析 中图分类号：０３４６．１ 文献标识码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｌｉｔ—ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｌｌｅｄ Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｑｕ Ｙａｈ—ｌｉｎｇ ，ＰＥＮＧ Ｙｉ－ｊｉａｎｇｚ，ＤＵ Ｙｕ—ｌｉｎ （１．ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＲａｉｌｗａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｒｏｌｌｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｅｏｎｃｒｅｔｃｅ．Ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｏｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅ ｅｘ— ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒｏｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ ｓｐｌｉｔ．．ｔｅｎｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ＵＳ．． ｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｓｐｌｉｔ—ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｒｏｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｓｐｌｉｔ—ｔｅｎｓｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 混凝土材料宏观上的破坏行为实质上是细观尺 度上损伤和断裂行为的积累和发展造成的，宏观力 学性能受其微细观结构的控制。混凝土的破坏过程 实际上就是内部裂缝萌生、扩展、贯通而失稳的过 程。室内试验研究中采用的碾压混凝土试件尺寸由 于测试条件，难以接近实际尺度，而进行大尺度 模型试验受到技术上和资金上的。本文采用混 凝土随机骨料生成技术及有限元数值模拟技术来研 究碾压混凝土试件的细观损伤断裂机理、强度特性 与宏观力学性能的关系，可以为碾压混凝土力学性 能的数值模拟开辟新途径。 笔者采用混凝土随机骨料模拟技术¨Ｊ及有限元 数值分析技术，在细观层次上研究碾压 昆凝土的劈 裂抗拉破坏机理，并对其劈裂抗拉破坏过程进行了 研究。 Ｙ＝１００ｆ ｌ 、 ｎｍ／ （１） 式中ｙ为通过直径为Ｄ 筛孔的骨料的重量百分 比；Ｄ一为骨料最大粒径。 Ｗａｌｒａｖｅｎ Ｊ．ｃ基于富勒公式，将三维级配曲线 转化为试件内截面上任一点具有骨料直径Ｄ＜Ｄ 的概率Ｐ， ］，其表达式为 Ｐｃ（Ｄ＜Ｄ０）：Ｐ （１．０６５Ｄ￣０～Ｄ一－０． 一０．０５３Ｄ０４ 一－４— ０．０１２Ｄ０６ 一６０．００４ ５Ｄ０８ ８ ＋０００２ ５Ｄ 。Ｄ．～１０） （２） 式中 为骨料体积占试件总体积的百分比，一般 取Ｐｋ：０．７５；Ｄ一为骨料最大粒径。对于一个特定 的？昆凝土拌和物，使用式（２）即可产生结构横截面上 骨料的颗粒数。 采用１６．７ ｃｍ×１６．７ ｃｍ的试件截面的三级配 混凝土，将≤５ ｍｍ的细骨料计人砂浆匀质体，计算 得出的各级骨料颗粒数为：６ ｃｍ粒径的骨料２粒， ３ ｃｍ粒径的骨料６粒。１．２ ｃｍ粒径的骨料５０粒。按 １随机骨料模型 假定已知级配的骨料其颗粒形状为球形，按骨 料达到最优密实度条件的Ｆｕｌｌｅｒ三维级配曲线，其 级配曲线表达式为 各种粗骨料在截面上不相重叠的条件，借助蒙特卡 罗方法，在试件截面上随机确定骨料的位置、形状和 尺寸，产生出随机骨料模型。在试件中部设置一层 １ ｃ 享的水泥砂浆层以模拟碾压混凝土层面连接。 据此生成碾压混凝土随机骨料模型。考虑到骨料随 机分布的影响，本文对１４种不同骨料分布的试件进 收稿日期：２００７—０３～２３；修订日期：２００７—０３—２７ 作者简介：屈彦玲（１９７２一 ），男，黑龙江海伦人，讲师，硕士，主要 从事路桥、结构工程研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｕｙ￣９８＠ｔｏｍ．ｃｏｍ。 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 屈彦玲，等．碾压混凝土劈裂抗拉的数值分析 ６７ （ａ）Ｐ＝１．３３ ｋＮ，１个单元破坏（ｂ）Ｐ＝２ ６６ ｌ（Ｎ，５２个单元破坏（ｃ ＝４ ｋＮ，３９１个单元破坏 （ｄ ＝５ ３３ ｋＮ＇５６１个单元破坏（ｅ ＝６ ６７ ｋＮ ３０个单元破坏 一■一■■ 图４碾压混凝土试件受劈拉时开裂过程 Ｆｉｇ．４ Ｃｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＲＣＣ ｓａｍｐｌｅ ｓｐｌｉｔ。ｔｅｎｓｉｏｎ ４结论 工程中，应采用有效措施提高碾压混凝土粘结界面 的力学性能和工作状态。 通过对碾压混凝土试件劈裂抗拉数值的模拟计 （２）仿真模拟计算得到的劈拉强度与桃林口试 算可以得出以下结论： 验中得到的实际劈拉强度值基本吻合，两者相差＜ （１）碾压混凝土骨料与砂浆的界面与常规混凝 ５％；这表明本文所用的这种随机骨料模型具有广泛 土一样是薄弱的环节，不同的是，由于碾压混凝土存 的应用前景，为碾压混凝土结构的细观损伤断裂分 在薄弱的层面，所以破坏更容易从层面发生；在实际 析提供了一条新的途径。 参考文献： ［１］ＳｃｈｕｔｔｅｒＧ．ＤＥ，Ｔａｅｒｗｅ Ｌ．Ｒａｎｄｏｍ ＰａｒｔｉｃｌｅＭｏｄｅｌｆｏｒＣｏｎｃｒｅｔｅＢａｓｅｄ ｏｎＤｅｌａｕｎａｙＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９３，（２６）：６７ ７３． ［２］Ｊ．Ｃ．Ｗａｌｒａｖｅｎ，Ｈ．Ｗ．Ｒｅｉｎｈａｒｄ．Ｔｈｅｏｒｙ ｎａｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｃｒａｃｋｓ ｉｎ Ｐｌａｉｎ ａｎｄ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｕｂｊｃｅｔｅｄ ｔｏ Ｓｈｅａｒ Ｌｏａｄｉｇｎ［Ｊ］．ＨＥＲＯＮ，１９８１，２６（１Ａ）：２６—２３． ［３］刘光廷，王宗敏．用随机骨料模型数值模拟碾压混凝土材料的断裂［Ｊ］．清华大学学报，１９９６，３６（１）：８４—８９． ［４］丁永祥，夏巨谌，王英，等．任意多边形的Ｄｅｌａｕｎａｙ三角剖分［Ｊ］．计算机学报，１９９４，１７（４）：２７０—２７５． ［５］河北省水利基本建设工程质量检测中心．桃林１３水库大坝混凝土芯样试验报告［Ｒ］．石家庄：河北省水利基本建设工程质量检测中心， １９９６ （上接第６４页） ３结论 表３混凝土理论抗折疲劳寿命比较 １旺ｌｂｋ ３ Ｃ【ｌＩ 雌ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎｔｇｆｏＭｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅａ－ｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ 根据对试验结果的分析，表明柔性纤维混凝土 具有如下性能： （１）与普通混凝土相比，掺加０．９ ｋｇ／ｍ。聚丙烯 纤维的混凝土不但具有较高的抗压强度，而且能较 大幅度地提高抗折强度。 （２）更为突出的是，聚丙烯纤维混凝土具有优良 的弯曲疲劳性能，尤其在高应力比下与普通混凝土 相比，疲劳寿命可成倍增长。 参考文献： ［１］孙伟，高建明．路用钢纤维混凝土抗折疲劳特性研究［Ｊ］．东南大学学报，１９９１，（２）：８２—９０ ［２］方福森．路面工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９． ［３］徐灏．疲劳强度［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８８． ［４］高镇同．疲劳应用统计学［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８６．
