一种钢纤维混凝土应力-裂缝宽度本构关系的反分析方法

摘要

本发明属于建筑材料本构关系技术领域；具体涉及一种钢纤维混凝土应力‑裂缝宽度本构关系的反分析方法，包括以下步骤：选取待测钢纤维混凝土构件，进行三点加载受弯试验，绘制待测钢纤维混凝土构件的荷载与裂缝张开位移试验曲线；获得该试验曲线上钢纤维混凝土构件的初裂荷载，得到待测钢纤维混凝土构件的初裂抗弯强度；根据相关参数，建立待测钢纤维混凝土构件受弯过程的标准化转角、标准化弯矩、外载荷、弹性形变引起的裂缝张开位移、初始裂缝几何形变引起的裂缝张开位移、裂缝张开总位移的计算模型；经反分析计算，得到该钢纤维混凝土构件应力与裂缝张开位移的本构关系曲线。本发明可以为钢纤维混凝土的结构设计提供理论支撑。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料本构关系技术领域；具体涉及一种钢纤维混凝土应力-裂缝宽度本构关系的反分析方法。

背景技术

钢纤维混凝土(FRC)是在脆性易裂的混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维制成的建筑材料。由于其优异的力学性能，钢纤维混凝土已在土木工程等领域得到了广泛的应用。穿过混凝土裂纹表面的钢纤维具有较强的桥接作用，使钢纤维混凝土最重要的特征之一是其优异的开裂后性能。应力-裂缝宽度本构关系体现了钢纤维在混凝土结构开裂后发挥的作用，是钢纤维混凝土结构设计时非常重要的参数，因此，使用合适的测试方法获得钢纤维混凝土拉伸应力-裂缝本构关系具有重要的理论意义和实用价值，提供一种可以求解钢纤维混凝土应力-裂缝本构关系的反分析方法非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢纤维混凝土应力-裂缝宽度本构关系的反分析方法，简化了反分析方法的运算量，可编制反分析运行的程序化流程，所得钢纤维混凝土构件受弯应力-裂缝宽度本构关系更接近于客观情况，可以为钢纤维混凝土的结构设计提供理论支撑。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种钢纤维混凝土应力-裂缝宽度本构关系的反分析方法，包括以下步骤：

步骤1、选取待测钢纤维混凝土构件，进行三点加载受弯试验，绘制待测钢纤维混凝土构件的荷载与裂缝张开位移试验曲线；

步骤2、根据待测钢纤维混凝土构件的荷载与裂缝张开位移试验曲线，获得该试验曲线上钢纤维混凝土构件的初裂荷载，得到待测钢纤维混凝土构件的初裂抗弯强度；

步骤3、根据待测钢纤维混凝土构件的宽度b、高度H、裂缝宽度w、初裂抗弯强度f

所述待测钢纤维混凝土构件受弯过程分为开裂前阶段、虚拟裂缝发展阶段和真实-虚拟裂缝共同发展阶段；在开裂前阶段，所述标准化弯矩μ

μ

在虚拟裂缝发展阶段，所述标准化转角θ

在真实-虚拟裂缝共同发展阶段，所述标准化转角θ

所述外载荷F

所述弹性形变引起的裂缝张开位移w

所述初始裂缝几何形变引起的裂缝张开位移w

所述裂缝张开总位移CMOD

CMOD

其中，n为钢纤维混凝土构件应力-裂缝本构关系曲线中的总线段数，i为钢纤维混凝土构件应力-裂缝宽度本构关系曲线中的第i条线段，i＝1,2,…,n；a

步骤4、令i＝1，假设裂缝宽度w

步骤5、从待测钢纤维混凝土构件的荷载与裂缝张开位移试验曲线中读取w

步骤6、重复步骤4和5，得到F

步骤7、根据a

优选地，所述待测钢纤维混凝土构件的初裂抗弯强度f

其中，F

优选地，所述钢纤维混凝土构件应力与裂缝张开位移本构关系模型如下：

σ＝f

优选地，步骤5中所述设定阈值为3％。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明基于非线性铰模型和钢纤维混凝土构件受弯全过程的标准化转角和标准化弯矩解析解的表达式，简化了反分析方法的运算量，可编制反分析运行的程序化流程，所得钢纤维混凝土构件受弯应力-裂缝宽度本构关系更接近于客观情况，可以为钢纤维混凝土的结构设计提供理论支撑。本发明反分析方法可以推广应用于多线性应力-裂缝宽度关系，可适用于平直型钢纤维、3D、4D和5D端钩型钢纤维，也可适用于其他类型的纤维；可适用于切口梁，也可适用于非切口梁；可适用于普通混凝土，也可适用于纤维混凝土、再生混凝土、高性能混凝土和自密实混凝土等。

附图说明

图1为本发明钢纤维混凝土应力-裂缝宽度本构关系的反分析方法的流程图。

图2为本发明实施例一中4D钢纤维混凝土梁的荷载和裂缝张开位移试验曲线与反分析曲线。

图3为本发明实施例一中4D钢纤维混凝土应力与裂缝张开位移的本构关系曲线。

图4为本发明实施例二中5D钢纤维混凝土梁的荷载和裂缝张开位移试验曲线与反分析曲线。

图5为本发明实施例二中5D钢纤维混凝土应力与裂缝张开位移的本构关系曲线。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例一

本实施例以掺有4D钢纤维混凝土梁进行多线性应力-裂缝宽度本构关系的反分析运算。钢纤维类型为4D钢纤维，体积掺量为1.0％(表示1m

值得说明的是，计算过程中，钢纤维混凝土构件的转角

钢纤维混凝土构件所受的弯矩M与标准化弯矩μ(θ)的转换公式如下：

参考图1所示的本发明反分析方法的流程图。本试样进行三点加载受弯试验的荷载与裂缝张开位移CMOD的试验曲线如图2所示。由荷载-CMOD曲线图，读取初始阶段斜率发生明显转折的点的初裂荷载F

令i＝1，设w

误差计算公式如下：

令i＝2，设w

令i＝3，设w

依次令i＝4,5,……,32，设w

令i＝33，设w

由上述反分析运算过程，得到F

根据所得a

实施例二

本实施例以掺有5D钢纤维混凝土梁进行多线性应力-裂缝宽度本构关系的反分析运算。钢纤维类型为5D钢纤维，体积掺量为1.0％(表示1m

参考图1所示的本发明反分析方法的流程图。本试样进行三点加载受弯试验的荷载与裂缝张开位移CMOD的试验曲线如图4所示。由荷载-CMOD曲线图，读取初始阶段斜率发生明显转折的点的初裂荷载F

令i＝1，设w

令i＝2，设w

令i＝3，设w

依次令i＝4,5,……,32，设w

令i＝33，设w

由上述反分析运算过程，得到F

根据所得a

值得说明的是，一般虚拟裂缝发展阶段与真实-虚拟裂缝共同发展阶段的分界点大约是CMOD＝15mm，实施例一中4D钢纤维混凝土梁和实施例二中5D钢纤维混凝土梁的受弯过程的实际裂缝宽度不大，不能够发展到真实-虚拟裂缝共同发展阶段，故均处于虚拟裂缝发展阶段。

值得说明的是，实施例一和实施例2在反分析计算钢纤维混凝土梁的应力与裂缝张开位移本构关系过程中，计算a

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。