[发明专利]基于多缝开裂理论的纤维混凝土变形特性预测方法

说明书

本发明涉及一种基于多缝开裂理论的纤维混凝土变形特性预测方法，该方法将纤维混凝土看作为由混凝土基体与纤维组成的复合材料，纤维混凝土单轴受拉过程随应力逐渐增大分为弹性阶段、应变硬化阶段和残余强度阶段；基于上述三个阶段提出了一种考虑纤维最大桥接应力、裂缝间距、裂缝平均宽度等参数影响的纤维混凝土材料双折线受拉本构模型，定量描述了纤维混凝土复合材料在受拉过程中的应力应变特性，为短纤维混凝土结构的设计计算和纤维混凝土材料力学性能预测与应用研究提供了理论参考。

技术领域

本发明涉及一种基于多缝开裂理论的纤维混凝土变形特性预测方法，属于纤维混凝土材料力学性能预测与应用技术领域。

背景技术

纤维混凝土自发明以来，因其优异的抗拉与抗裂性能，在工程中被广泛使用。大量纤维混凝土单轴受拉试验结果表明，适量纤维可以提高混凝土的峰值抗拉强度和残余强度，且具有较高的抗拉韧性。

纤维混凝土材料的力学特性受纤维抗拔能力特性、基体强度和变形特性、纤维变形特性和空间分布等复杂因素的影响，很难预测，给纤维混凝土结构的初步设计分析带来了困难。

纤维混凝土的受拉本构一般基于单轴拉伸试验结果拟合分析得到，现有技术中存在钢纤维混凝土弥散开裂本构模型、PVA-钢纤维混凝土水泥基复合材料受拉本构模型和聚丙烯-钢纤维混凝土分段式受拉本构方程等，上述模型表明纤维混凝土的受拉应力应变曲线表现出明显的应变硬化，即强化阶段，但对于纤维混凝土受拉本构究竟采用哪种类型的分段曲线进行拟合未给出明确的规定。

目前，有关纤维混凝土增强增韧机理的研究，主要包含复合材料理论、纤维间距理论和多缝开裂理论三种。复合材料理论将混凝土视为基体、纤维组成的两相复合材料，复合材料整体性能等于基体、纤维性能叠加，依据设计需求采用不同的材料进行组合，最终会产生不同性能的复合材料。纤维间距理论中，沿着材料受拉方向，纤维呈棋盘状分布，基体中裂缝处于纤维之间，材料受拉时，沿着纤维方向，裂缝边界位置会产生一个与裂纹尖端应力场方向相反的纤维粘结应力场，从而降低裂缝边界局部应力集中，阻碍裂纹扩张。多缝开裂理论中，假设，高强、高延伸率的连续长纤维定向分布在水泥基体中，复合材料在基体初裂后产生大量细密裂缝，若纤维体积率超过临界值，则裂缝面纤维能够承受荷载大于基体开裂荷载，即为多缝开裂模型。综上所述，复合材料理论、纤维间距理论和多缝开裂理论，解释了纤维在复合材料中的增强、增韧机理，但是又有所区别，复合材料理论假定材料处于完全弹性状态，而后两种理论则对基体裂缝扩展进行研究。但以上三种理论假设条件过于理想化，未考虑实际纤维增强复合材料中乱向分布短纤维取向及长度对于复合材料的影响。其中，多缝开裂理论的研究既包括复合材料的弹性阶段，又涉及基体开裂后的裂缝扩展阶段，与实际较为接近。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种考虑纤维最大桥接应力、裂缝间距、裂缝平均宽度等参数影响的纤维混凝土材料双折线受拉本构关系。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种基于多缝开裂理论的纤维混凝土变形特性预测方法，所述纤维混凝土为由混凝土基体与纤维组成的复合材料，纤维混凝土单轴受拉过程随应力逐渐增大分为弹性阶段、应变硬化阶段和残余强度阶段；

所述纤维混凝土在弹性阶段的应力应变关系为：

σ_c＝(αE_fV_f+E_mV_m)ε_c

式中，σ_c为复合材料应力；ε_c为复合材料应变；d为纤维作用影响系数；E_f为纤维弹性模量；V_f为纤维混凝土单位体积内的纤维体积掺量；E_m为基体弹性模量；V_m为纤维混凝土单位体积内的基体体积掺量；

所述纤维混凝土在应变硬化阶段的应力应变关系为：