探究鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)研究進展及展望

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受到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間距、外形、澆筑時間、保護層厚度、以及混凝土強度等相關(guān)因素的影響，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)生明顯的改變。在這一過程當(dāng)中，鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)造成了相當(dāng)大的影響。掌握鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸效應(yīng)發(fā)展動態(tài)能夠有助于研究混凝土材料以及混凝土與鋼筋共同作用之間的問題。本文即嘗試對鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)問題展開分析與研究。

1 鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸效應(yīng)理論分析

對于鋼筋混凝土構(gòu)件而言，與尺寸效應(yīng)相關(guān)的研究理論主要涉及到七種類型：第一類是基于Weibull的尺寸效應(yīng)統(tǒng)計理論，第二類是基于能量釋放引起的尺寸效應(yīng)理論，第三類是基于裂紋分析特征引起的尺寸效應(yīng)理論，第四類是基于材料非均勻性的邊界層尺寸效應(yīng)理論，第五類是基于擴散現(xiàn)象引起的時間依賴性尺寸效應(yīng)理論，第六類基于裂紋尖端三維應(yīng)力奇異性引起的尺寸效應(yīng)理論；第七類是基于材料本構(gòu)時間依賴性引起的尺寸效應(yīng)理論。從鋼筋混凝土構(gòu)件常規(guī)運行工況的角度上，在斷裂尺寸效應(yīng)重要程度提升的背景之下，后四類尺寸效應(yīng)理論的的價值不夠突出，對尺寸效應(yīng)理論的分析應(yīng)當(dāng)集中在前三類理論中。當(dāng)前對以上三類尺寸理論的研究現(xiàn)狀可以分析如下：

(1)基于Weibull的尺寸效應(yīng)統(tǒng)計理論。尺寸效應(yīng)理論在概率分析以及試驗研究領(lǐng)域中得到了一定的發(fā)展與完善。1926年，Peirce等人在概率分析的基礎(chǔ)之上構(gòu)建了基于鏈的最弱連接模型，同時對前人所提出的極值統(tǒng)計理論研究內(nèi)涵以及中心思想進行了分析論證。1939年，Weibull通過概率試驗的方式得出了一個關(guān)鍵性的結(jié)論，即針對具有極小概率的極小強度的尾分布而言，無法使用當(dāng)前任何的分布來對該概念進行描述。為了使強度極值分布律得到準(zhǔn)確的描述，可采取的方法在于引入一個具有門檻值特點的冪函數(shù)律。后來也有相關(guān)的研究人員通過引入材料微裂紋下分布概率模型的方式，證實了Weibull所提出的這一研究結(jié)果。在以上發(fā)展過程當(dāng)中，最終形成了可適用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究領(lǐng)域的基于Weibull的尺寸效應(yīng)統(tǒng)計理論，認(rèn)為可以將其作用于以下幾種結(jié)構(gòu)類型：第一是在宏觀裂紋起始位置發(fā)生失效的鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)，第二是失效位置僅引起小斷裂過程區(qū)的鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)(可忽略應(yīng)力重分布影響)。對于疲勞因素影響下韌性降低的金屬結(jié)構(gòu)而言，這種尺寸效應(yīng)理論的價值優(yōu)勢相當(dāng)突出。但對于鋼筋混凝土構(gòu)件一類材料而言，該理論仍然處于修正與完善的階段中。

(2)基于能量釋放引起的尺寸效應(yīng)理論。在有關(guān)能量釋放所產(chǎn)生尺寸效應(yīng)理論的研究工作當(dāng)中，最具代表性的研究理論應(yīng)當(dāng)是由Bazant等人所提出的尺寸效應(yīng)律研究理論。在Bazant等人所提出的尺寸效應(yīng)律研究理論當(dāng)中，關(guān)注的重點在于：對于絕大部分的準(zhǔn)脆性材料而言，在出現(xiàn)裂紋且裂紋發(fā)生延伸擴展的情況下，并不會直接造成破壞。對于典型的混凝土材料、巖石材料、復(fù)合材料、以及灌漿土壤等準(zhǔn)脆性材料而言，尺寸效應(yīng)的核心在于：在材料達到最大荷載水平之前，由一個大規(guī)模的裂紋或者是一個包含有微裂紋的大斷裂過程區(qū)在穩(wěn)定增長的期間所誘發(fā)。關(guān)鍵的誘發(fā)因素在于：微裂紋取或者是大裂紋在發(fā)展過程當(dāng)中導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力重分布的問題，其內(nèi)部所儲存的能量大量釋放。換句話來說，在基于能量釋放引起的尺寸效應(yīng)理論當(dāng)中，中心思想認(rèn)為材料結(jié)構(gòu)在宏觀裂紋擴展過程當(dāng)中所產(chǎn)生的應(yīng)變能耗是形成尺寸效應(yīng)的最主要因素。

(3)基于裂紋分析特征引起的尺寸效應(yīng)理論。在有關(guān)基于裂紋分析特征引起的尺寸效應(yīng)理論的研究工作當(dāng)中，最具代表性的研究理論應(yīng)當(dāng)是由Carpinteri所提出的多重分形尺寸效應(yīng)理論。對于混凝土材料而言，由于其微觀結(jié)構(gòu)當(dāng)中具有無序性的特點，且包括微孔穴以及微裂紋在內(nèi)的各種微觀缺陷相互作用，因此導(dǎo)致宏觀意義上的斷裂力學(xué)理論無法準(zhǔn)確描述混凝土材料的斷裂行為。同時，在準(zhǔn)脆性材料當(dāng)中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)所存在的各向異性以及不連續(xù)性分布的缺陷表現(xiàn)會致使材料內(nèi)部各點的強度表現(xiàn)產(chǎn)生差異。在外部力場恒定的條件下，各個點所對應(yīng)的應(yīng)力強度因子會存在差異，強度較低點位容易較早產(chǎn)生裂紋。換句話來說，對于混凝土材料而言，在斷裂秦安，內(nèi)部微裂紋的演變具有分形特點。也就是說，可以通過引入分形維數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系式的方式，構(gòu)建基于多重分形的尺寸效應(yīng)律，用以對混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)理論。

2 鋼筋混凝土構(gòu)件梁破壞尺寸效應(yīng)分析

當(dāng)前，各個國家與地區(qū)對鋼筋混凝土梁破壞過程中尺寸效應(yīng)的研究還存在明顯的不足之處，研究內(nèi)容以混凝土強度尺寸效應(yīng)對其結(jié)構(gòu)理論分析的影響為主，或者是通過試驗研究的方式對較大尺寸的鋼筋混凝土梁體進行分析。已有的研究成果中顯示：對于鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)而言，其抗剪強度具有明顯的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)。一般而言，經(jīng)過尺寸效應(yīng)試驗處理的梁體結(jié)構(gòu)破壞抗剪強度較設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的抗剪強度而言更低。同時，梁體結(jié)構(gòu)尺寸對箍筋所提供的抗剪強度以及在開裂后的工作性能表現(xiàn)并沒有直接的影響。造成這一現(xiàn)象的主要因素在于：鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)中少筋梁剪應(yīng)力理算程度超過預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)研究人員在對前人所獲取試驗數(shù)據(jù)進行分析的過程當(dāng)中引入了統(tǒng)計學(xué)方法，認(rèn)為尺寸效應(yīng)影響是在對混凈土梁體結(jié)構(gòu)抗剪強度進行分析期間必須納入考量的因素之一。在此基礎(chǔ)之上，通過修正抗剪強度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的方式，形成建立在非線性斷裂力學(xué)條件下的開裂段模型，能夠滿足普通以及高強度鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)的分析工作。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)：相對于較大尺寸的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深梁而言，尺寸效應(yīng)并不會對斜向裂縫的開裂強度產(chǎn)生影響，但會導(dǎo)致極限抗剪強度的變化。后又有研究人員設(shè)置有5組(共計36根)鋼筋混凝土簡支梁的試驗，展開了對梁體結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的分析工作。分析結(jié)果認(rèn)為：鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)受彎承載力水平較少受到尺寸效應(yīng)的影響，尺寸效應(yīng)對鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)的影響在護腰集中在受剪承載力方面。主要機制在于：受拉縱筋屈服造成梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生受彎破壞。

3 鋼筋混凝土構(gòu)件柱破壞尺寸效應(yīng)分析

Bazant等相關(guān)研究人員為了證實鋼筋混凝土構(gòu)件柱破壞過程當(dāng)中存在顯著的尺寸效應(yīng)，且為了研究鋼筋混凝土構(gòu)件強度與尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系，以細石混凝土澆筑前的鋼筋混凝土柱作為研究對象，進行了縮壓試驗。在研究數(shù)據(jù)顯示：鋼筋混凝土構(gòu)件柱破壞過程當(dāng)中的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)相當(dāng)顯著。但，鋼筋混凝土構(gòu)件柱破壞方式的而表現(xiàn)卻存在一定的差異性，即部分破壞發(fā)生在鋼筋混凝土構(gòu)件柱中段，部分破壞發(fā)生在鋼筋混凝土構(gòu)件柱前端。在破壞所發(fā)生部位不同的影響下，能量的釋放也有一定的差異性。

在此基礎(chǔ)之上，有關(guān)研究人員還引入微平面模型，通過有限元分析的方式對前人所開展的鋼筋混凝土構(gòu)件柱破壞尺寸效應(yīng)試驗結(jié)果進行了分析，分析得出了以下幾個方面的結(jié)論：第一，在不同的破壞區(qū)域發(fā)生未知作用之下，峰值荷載所對應(yīng)的尺寸效應(yīng)同樣存在；第二，由于儲存在鋼筋混凝土構(gòu)件柱結(jié)構(gòu)當(dāng)中的應(yīng)變能力發(fā)生釋放反應(yīng)，進而會導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件柱結(jié)構(gòu)發(fā)生受壓破壞，其機制與受拉破壞高度相似；第三，可以通過開裂分析的方式得到鋼筋混凝土構(gòu)件柱在偏壓破壞條件下的尺寸效應(yīng)。

4 結(jié)束語

混凝土作為一種典型的非均質(zhì)材料，具有多相多孔的特征，且在尺寸不斷增大的條件下，其非均質(zhì)性表現(xiàn)將更加突出，由(此導(dǎo)致破壞隨機性增大。尺寸效應(yīng)的研究顯得更加關(guān)鍵。本文在對現(xiàn)階段鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸效應(yīng)研究理論進行集中分析的基礎(chǔ)之上，合并分析了對于鋼筋混凝土構(gòu)件而言，在梁結(jié)構(gòu)與柱結(jié)構(gòu)破壞條件下的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)，望進一步豐富研究。

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