混凝土尺寸效应研究

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发布时间：2021-09-17

资料介绍

混凝土尺寸效应研究
王兵锋，汤国庆，唐腾飞。
(1．中南勘测设计研究院宜昌设计院，湖北宜昌443002； 2．国电大渡河大岗山水电开发有限公司，成都625401；
3．贵阳勘测设计研究院．贵阳550000)
【摘要】尺寸效应是水利工程施工中混凝土结构强度、承载力计算必须考虑的重要因素。文中阐述了混
凝土尺寸效应产生机理、现有理论等研究现状，并收集了大量关于混凝土抗压强度尺寸效应的实验成果，发现其
混凝土试件尺寸与其抗压强度之间具有较强的相关性，这种相关性可由统一的经验表达式来描述。
【关键词】混凝土；尺寸效应；抗压强度；相关性
【中图分类号】TU528．0 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2014)06—0012—03
尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数，
而是随材料几何外形尺寸的变化而变化。对于土木
水利工程施工中常用的混凝土材料而言，其尺寸效应
主要表现为：当构件尺寸增大时，强度反而减小，断裂
能随之增大。有关尺寸效应的研究开始于15世纪，由
Leonardo da Vinci首先提出，Gonnerman首次将其应用
于混凝土材料的研究。混凝土构件真实强度、承载
性、结构耐久性等材料性能与尺寸效应存在一定的关
系，在混凝土材料应用研究中，尺寸效应问题成为是
一个重要课题。
1 尺寸效应产生机理
引起混凝土尺寸效应的因素是多方面的，文中从
以下几个方面进行简述：
(1) 由边界层引起的尺寸效应。产生边界层的
主要原因可分为三类。第一种类型，是由于浇筑构件
时机械振捣等影响，在大骨料与小骨料分布的区域之
间产生了与构件尺寸本身无关的边界层。第二种类
型是由不同区域之间的弹塑性差异引起的。第三种
类型是泊松效应。
(2) 由扩散引起与时间相关的尺寸效应。半干
燥期，试件内部不均匀扩散产生残余应力，导致试件
发生非弹性应变和开裂。由于大、小试件的干燥速率
不同，其开裂的密度和程度存在差异，引发尺寸效应。
(3) 由水化热等其它化学反应产生的尺寸效
应。水泥水化放热量因试件尺寸而异，试件内部温度
随尺寸增大而升高。温度的不均匀分布引发的温度
应力超出材料的极限强度时，会导致混凝土的材料结
构性能发生改变，由此造成尺寸效应。
此外，产生尺寸效应机理的因素还包括：由材料
强度的随机性、能量释放和裂纹表面的分形特征引起
的尺寸效应。
2 尺寸效应理论简析
2．1 尺寸效应统计理论
(1) 该理论认为当结构尺寸较大时，其遇上低
强度材料的小单元机率会随着尺寸增大而变大，而引
起尺寸效应。
(2) Weibull经典统计理论主要基于概率分析
理论，其假定条件如下：① 任一个小的单元达到了强
度的极限会导致整个混凝土材料结构中失效；②失效
的单元是不具备关联性；③材料强度极限随机。
(3) 均匀应力下，同等加载的试件、的尺寸
效应表达式为：
or1 ，、士
‘
式中，为试件体积；／'n为是材料参数(即Weibull
模量，计算混凝土材料时取m=12)。
2．2 能量释放尺寸效应理论 ’
(1) Bazant认为应力重分布和释放储存在结构
中的能量引起裂纹破坏的局域化引起尺寸效应。
(2) 该定律应用于混凝土的特定条件为：① 断
裂或断裂带的扩展要求断裂平面上提供的能量近似
为常数；②结构由于断裂或断裂带的扩展而释放的能
量是可以用断裂长度或断裂过程区尺寸来表示的一
个函数；③几何相似的试件结构的破坏形态也是几何
相似的；④结构在起裂处不失效；⑤尺寸范围为1：20。
(3) Bazant在大量的实验基础上，提出了和弹
塑性理论相对应的计算公式。
，
卢= D (2)
式中为材料的抗拉强度；B为无量纲常数；D。
为依赖于结构几何的常数；(利用多组实测实验数据
得出的回归系数)。
2．3 裂纹的分形特性尺寸效应理论
(1) Carpinteri认为由于混凝土材料细观结构的
随机无序性和各种材料微缺陷的相互作用的存在，致
使宏观断裂力学理论失效。