高温后混凝土断裂性能的试验研究及有限元分析

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发布时间：2021-09-15

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高温后混凝土断裂性能的试验研究及有限元分析
魏亮亮，陆洲导，俞可权，余江滔
(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)
摘要：对高温后混凝土I型断裂性能进行了试验研究。设置20~600℃共1O组温度，采用楔入劈拉法测得高温后试件荷载一裂缝张开VI
位移(P-cMoD)全曲线并记录各温度下混凝土试件烧失量W。基于试验结果，计算各温度下试件断裂韧度、断裂能G 和特征长度，并
分别和烧失量”建立关系。研究表明三者随烧失量变化的趋势一致，说明可以用烧失量来体现高温下混凝土的断裂性能。利用ABAQUS
有限元软件对试件的断裂过程进行模拟，得到各个温度下的P CMOD曲线并与试验结果对比来验证模型的合理性。
关键词：高温；烧失量；断裂韧度；断裂能；特征长度；有限元模拟
中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2012)08—0010—04
Test study and finite element analysis of residual fracture behaviors of concrete subject to elevated temperatures
WEILiang-liang，LUZhou-dao，YUKc—quart，YUJiang-tao
(ResearchInstituteofStructuralEngineering andDisasterReduction，Ton~iUniversity，Shanghai200092，China)
Abstract： The investigations on the residual Mode‘I fracture behaviors ofconcrete subject to elevated temperatures were carried out．The wedge
spliaing method was employed to obtain the Load-CMOD (crack mouth opening displacement)curves ofpost—fire specimens which were expo—
sure to temperatures var~ng from 20℃to 600℃ ，furthermore，the weight losses ofall the specimens were recorded．Based on the test results，the
fracturetoughness ，fracture energy GF and characteristiclength were calculatedandtheir relationshipswith weightlossWwere established．
The study revealed that ，GF and experience a same tendency aS temperature changes which indicates weight loss has the function to be the in—
dex ofresidual fracture behaviors ofconcrete subject to elevated temperatures．The finite element sot~ware ABAQUS were adopted to simulate the
fracture process of spicements from which P-CMOD curve under different temperatures were obtained，the computing results showed a good a．
greement wim the test data．
Km／words： elevatedtemperatures；wightloss；fracturetoughness；fracture energy ；characteristiclength；finite element simulation
0 引言
因为具有良好的抗压强度和耐久性，混凝土被广泛用于建
筑工程中。即使对于某些要求高温的工作环境的工程，如烟囱或
核电站等，混凝土仍然被大量地使用。研究表明，在高温下或高
温后混凝土的化学成分、物理性能以及力学性能都发生了巨大
的变化。必须指出的是，目前关于高温或高温后混凝土力学性能
的研究多集中于抗压强度和弹性模量等基础指标上，对于抗拉
或抗断裂的性能，国内外的研究成果相对较少，因此，了解混凝
土的高温断裂性能具有一定的意义。
Bazant and Pmt 采用三点弯曲梁和偏心受压法对四种形
状相似而尺寸不同的混凝土试件进行了高温中的断裂试验，发
现混凝土I型断裂能随着温度的上升而单调下降，并验证了高温
下断裂性能尺寸效应的存在。相反的，G．Bakert 1研究不同冷却
制度下混凝土断裂能值，结果表明：在温度达到300℃前，高温
后混凝土断裂能值随温度上升而增加，其后断裂能值迅速下降，
而不同冷却制度对高温后断裂能值没有明显影响。
B．zhang、N．Bicanicle认为混凝土在高温条件下的烧失量与
其脆性有很大的关系，并通过三点弯曲梁试验进行验证。试验结
果表明温度越高，烧失量越大，混凝土的脆性下降；加热时间越
长，烧失量越大，混凝土的脆性将下降。最后笔者从混凝土中3种
不同存在形式的水(毛细水、凝胶水、结合水)的特点进行分析，
认为凝胶水的丧失与混凝土的脆性关系最为密切。
C．V．Nielsen、N．Bicanicr0对普通混凝土和高性能混凝土在高
温后的断裂能值也进行了研究，得到与B．zhang等人相同的结
论：即当温度在300--400℃之间时，高温后混凝土断裂能值比常
温断裂能值提高50％，且试件延性得到明显提升；断裂能上升的
主要原因是混凝土经历高温后出现较多的微裂缝，微裂缝在断
裂过程中吸收能量，从而使得测定的断裂能值偏高，同时混凝土
试件体现出较大的延性。在国内，高温后混凝土断裂性能的研究
起步较晚，研究烧失量与断裂性能关系的试验研究甚少。
本研究结合国内外已有研究成果，采用楔入劈拉法对高温
后混凝土试件的断裂性能进行研究，以期得到其断裂性能相关
参数随烧失量变化的规律。分析认为高温下混凝土的烧失量主
要是其本身水分含量的变化引起，这包括了物理和化学的变化，
即烧失量能在一定程度上反映高温下混凝土内部组成成分的
变化也就可以在一定程度上反映混凝土在高温下的断裂性能。
基于试验测得的数据，本研究建立了ABAQUS有限元模型来