CN112949071B - 一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝i型应力强度因子的方法 - Google Patents

一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝i型应力强度因子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于混凝土重力坝安全性评定领域，提供了一种计算持续荷载作用下岩石‑混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法，该方法根据界面裂缝尖端前缘核心区域的力学响应，可简单方便地计算出持续荷载作用下界面裂缝I型应力强度因子，进而实现持续荷载作用下界面裂缝尖端应力场的定量描述，为混凝土重力坝服役期间安全性评价提供参考。

Description

一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度 因子的方法
技术领域
本发明属于混凝土重力坝安全性评定领域，涉及一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法。
背景技术
对于坐落在岩基上的混凝土重力坝，岩基与混凝土坝体的界面是一个薄弱环节。施工期间浇筑、养护不当以及服役期间荷载、环境作用使界面区极易产生初始缺陷，进而威胁混凝土重力坝的安全运行。众多学者开展了准静态条件下界面断裂机理的探索，其中，以应力强度因子为判据的断裂准则得到大量的研究和广泛的应用。应力强度因子是反映裂尖应力场强弱的物理量，是断裂力学中最重要的评价指标。在准静态条件下，界面裂缝应力强度因子的计算方法较为成熟，如基于裂缝面位移的位移外推法；基于裂尖前缘应力的应力外推法；基于裂尖区能量的相互作用积分法。
需要特别指出的是，混凝土重力坝通常在持续水压力下运行。在持续荷载作用下，界面裂缝两侧材料发生粘弹性变形。由于界面裂缝尖端的高应力以及由此导致的大变形，结构内出现应力重分布现象，界面裂缝尖端出现应力松弛现象。此时，基于准静态断裂分析建立的界面应力强度因子计算方法已不再适用。根据发明人的调查，目前尚未发现持续荷载作用下岩石-混凝土界面断裂机理的研究，尚未提出考虑持续荷载作用的界面裂缝应力强度因子计算方法。基于此，发明人所在的课题组开展了相关研究，提出并验证了一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法。
发明内容
基于当前研究的不足，本发明提出一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法，能够为混凝土重力坝服役期间坝踵界面区安全性评估提供参考。
本发明的技术方案：
一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法，步骤如下：
(1)根据界面两侧材料(岩石、混凝土)的粘弹性参数模拟岩石-混凝土界面的粘弹性响应；在数值模拟结果中提取界面裂缝尖端前缘不同节点的弹性应变能密度
Figure BDA0002965397570000021
基于应变能密度因子理论进一步计算出该节点处的I型应力强度因子
Figure BDA0002965397570000022
计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002965397570000023
Figure BDA0002965397570000024
Figure BDA0002965397570000025
式中，Eeff为岩石-混凝土界面的等效弹模，其表达式如式(2)所示，其中E1、E2分别为岩石和混凝土的弹模；νave为岩石-混凝土界面的平均泊松比，如式(3)所示，其中ν1、ν2分别为岩石和混凝土的泊松比；r为计算节点至裂尖点的距离；
(2)持续荷载作用下，界面裂缝尖端前缘不同节点的I型应力强度因子
Figure BDA0002965397570000026
不具有距离无关性，本方法采用裂尖前缘核心距离rc内节点应力强度因子的平均值代表持续荷载作用下界面裂缝的应力强度因子K1，K1计算公式如式(4)所示：
Figure BDA0002965397570000027
Figure BDA0002965397570000031
式中，m为裂尖前缘核心距离rc内节点数量，不少于10个；rc由式(5)计算得到；其中
Figure BDA0002965397570000032
为准静态条件下该界面的起裂韧度，由常规断裂试验测定；ft为准静态条件下该界面的抗拉强度，由常规直拉试验测定。
本发明的有益效果：根据界面裂缝尖端前缘核心区域的力学响应，可简单方便地计算出持续荷载作用下界面裂缝I型应力强度因子，进而实现持续荷载作用下界面裂缝尖端应力场的定量描述，为混凝土重力坝服役期间安全性评价提供参考。
附图说明
图1(a)是岩石-混凝土复合梁三点弯曲试件(P为外荷载，S为试件跨度，L为试件长度)，图1(b)为试件跨中剖面图(B、D分别为试件长厚度、高度，a0为界面初始裂缝长度)。
图2是界面裂缝尖端局部区域(rc为界面裂缝尖端前缘核心距离)。
图3是界面裂缝尖端前缘核心距离内节点的应力强度因子
Figure BDA0002965397570000033
图4是界面裂缝应力强度因子K1随持载时间变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面以岩石-混凝土复合梁三点弯曲持载试件为实施例，结合附图对本发明进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例所述的岩石-混凝土复合梁三点弯曲试件如图1所示，试件几何参数如下：L＝500mm、B＝D＝100mm、S＝400mm、a0＝30mm。岩石、混凝土的弹性模量E1、E2，泊松比ν1、ν2，以及由式(2)、(3)计算得到的界面等效弹模Eeff、平均泊松比vave均已知；准静态加载条件下界面的起裂韧度
Figure BDA0002965397570000041
抗拉强度ft以及由式(5)计算得到的rc均已知；此外，本实施例采用基于Bailey-Norton蠕变方程
Figure BDA0002965397570000042
的粘弹性模型模拟岩石、混凝土材料的粘弹性响应，进而得到岩石-混凝土界面的粘弹性响应，岩石、混凝土材料的粘弹性模型参数均已知。上述各项材料参数均列于表1。
表1岩石、混凝土、岩石-混凝土界面的材料参数
Figure BDA0002965397570000043
界面裂缝尖端局部区域示意图如图2所示。本实施例中裂尖前缘核心距离rc内有12个节点。在持续荷载P＝2.27kN作用下，界面裂纹尖端前缘r距离内不同节点在不同持载时间的I型应力强度因子
Figure BDA0002965397570000044
如图3所示。本发明将裂尖前缘核心距离rc内12个节点I型应力强度因子
Figure BDA0002965397570000051
的平均值视为持续荷载作用下界面裂缝的应力强度因子K1。据此可得到本实施例中界面裂缝应力强度因子随时间变化曲线，如图4所示。

Claims (1)

1.一种计算持续荷载作用下岩石-混凝土界面裂缝I型应力强度因子的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据界面两侧材料岩石、混凝土的粘弹性参数模拟岩石-混凝土界面的粘弹性响应；在数值模拟结果中提取界面裂缝尖端前缘不同节点的弹性应变能密度
Figure FDA0002965397560000011
基于应变能密度因子理论进一步计算出该节点处的I型应力强度因子
Figure FDA0002965397560000012
Figure FDA0002965397560000013
计算公式如式(1)所示：
Figure FDA0002965397560000014
Figure FDA0002965397560000015
Figure FDA0002965397560000016
式中，Eeff为岩石-混凝土界面的等效弹模，其表达式如式(2)所示，其中E1、E2分别为岩石和混凝土的弹模；νave为岩石-混凝土界面的平均泊松比，如式(3)所示，其中ν1、ν2分别为岩石和混凝土的泊松比；r为计算节点至裂尖点的距离；
(2)持续荷载作用下，界面裂缝尖端前缘不同节点的I型应力强度因子
Figure FDA0002965397560000017
不具有距离无关性，本方法采用裂尖前缘核心距离rc内节点应力强度因子的平均值代表持续荷载作用下界面裂缝的应力强度因子K1，K1计算公式如式(4)所示：
Figure FDA0002965397560000018
Figure FDA0002965397560000019
式中，m为裂尖前缘核心距离rc内节点数量，不少于10个；rc由式(5)计算得到；其中
Figure FDA00029653975600000110
为准静态条件下该界面的起裂韧度，由常规断裂试验测定；ft为准静态条件下该界面的抗拉强度，由直拉试验测定。
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四点剪切条件下岩石-混凝土界面裂缝扩展过程研究;陆超等;《水利与建筑工程学报》;20151015(第05期);全文 *

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