一种混凝土直接拉伸试验装置及Ⅰ型断裂韧度量测方法与流程

本发明专利属于混凝土断裂力学领域，具体涉及一种混凝土直接拉伸装置和ⅰ型断裂韧性直接确定方法。

背景技术：

1、断裂韧性在断裂力学中起着重要的作用。由于混凝土的抗拉强度较弱，ⅰ型断裂韧性(kic)是判断其裂缝产生的最关键参数。所以，kic的准确计算在混凝土结构评价中具有重要意义。

2、国际岩石力学学会(isrm)提出了多种测量i型岩石断裂韧性的方法：“人字形”型缺口短棒(sr)试样为直接试验，人字形缺口巴西圆盘(ccnbd)劈裂试样和半圆形试样弯曲加载(cstscb)为间接拉伸试验方法。扁平巴西圆盘试样，三点弯曲试验下的边裂三角形试样、直缺口圆盘试样弯曲试验、边缘裂纹试样弯曲试验和人字形缺口短棒弯曲(cnsrb)试样也可以测量岩石的kic。

3、以上方法中，间接拉伸试验的试样制作和加载装置相较直接拉伸复杂，所得kic值偏差较大；而现有的直接拉伸方法采用直槽缺口，需对试样进行疲劳预开裂，这一过程中容易对试件产生不可知的损伤，且对脆性和准脆性材料创建疲劳预裂非常困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种混凝土直接拉伸装置和ⅰ型断裂韧性直接确定方法。

2、这种混凝土直接拉伸装置，包括：槽形外框1和圆杆2，槽形外框1两侧翼缘均设有孔洞11，槽形外框1顶端中央设有环扣12，槽形外框1通过环扣12连接试验机；加载试件3的厚度为b，加载试件3开有中央圆孔31，中央圆孔31的孔径为r，且圆孔31横向上对称地设有两道人字形切口32，人字形切口32在横向上的长度为a1,人字形切口32最深处为一段直缝，直缝的长度为a0；人字形切口32至加载试件3对应一侧的边缘为断裂韧性区，断裂韧性区的横向最大长度为b；

3、两个槽形外框1对称地设于加载试件3纵向两侧，两个槽形外框1所在的平面垂直于加载试件3，槽形外框1两侧的孔洞11之间设有圆杆2，两个槽形外框1连接的圆杆2均穿过中央圆孔31。

4、作为优选：加载试件3为矩形板，r远大于圆杆2的直径。

5、这种混凝土直接拉伸装置的ⅰ型断裂韧性直接确定方法，包括以下步骤：

6、步骤一、加载试件加工：对加载试件3加工出中央圆孔31和人字形切口32；

7、步骤二、加载：通过圆杆2将两个槽形外框1与中央圆孔31连接，将环扣连接试验机，对加载试件3进行拉伸；记录加载试件3可承受的加载最大荷载pm；

8、步骤三、使用切片合成法计算无量纲应力强度因子在人字形切口32中心切割厚度为b'的切片，加载试件3厚度方向上其它区域均分为等厚的n片，分别计算每个切片的荷载并得到加载试件3的总荷载p；对各尺寸进行尺寸归一化计算，得到无量纲应力强度因子

9、步骤四、ⅰ型断裂韧度计算：通过以下公式计算加载试件3的ⅰ型断裂韧度kic

10、

11、作为优选，步骤二中：拉伸过程中两侧的人字形切口32保持水平，两根圆杆2分别接触中央圆孔31的最高点和最低点。

12、作为优选，步骤三具体为：

13、s3.1、厚度为b'的切片最外侧和中央圆孔31边缘的距离为a，切口圆弧半径为rs；厚度为b'的切口段应力强度因子记为ki，其他部分均分为厚度为δt，应力强度因子记为得到每个切片的荷载为

14、

15、试件的总荷载为

16、

17、其中，第一项为中心直线切口所受荷载，第二项为与弯曲切口所受荷载；

18、s3.2、尺寸归一化计算；

19、切口段厚度b'归一化为

20、裂纹长度归一化为

21、其中，i为每个切片的序号，i＝0为人字形切口32中心厚度为b'切片的序号，

22、s3.3、无量纲应力强度因子参数

23、本发明的有益效果是：

24、1)采用人字形缺口试件进行直接拉伸试验，与直槽相比，人字形裂纹起裂荷载低，之后裂纹稳定扩展，直到出现不稳定断裂；无需在人字形缺口试样中进行疲劳预开裂，确保试件破坏模式为i断裂，可明显降低试验成本，提高试验的准确性且试样的制作、加载过程简便。

25、2)基于bluhm切片合成法，提出了一种简便的计算不同直缝长度和中心钻孔直径的cstdt试样的无量纲应力强度因子的解析表达式，考虑了中心孔径变化的影响，可以精确计算i型无量纲应力强度因子和断裂韧性。

技术特征：

1.一种混凝土直接拉伸装置，其特征在于，包括：槽形外框1和圆杆2，槽形外框1两侧翼缘均设有孔洞11，槽形外框1顶端中央设有环扣12，槽形外框1通过环扣12连接试验机；加载试件3的厚度为b，加载试件3开有中央圆孔31，中央圆孔31的孔径为r，且圆孔31横向上对称地设有两道人字形切口32，人字形切口32在横向上的长度为a1,人字形切口32最深处为一段直缝，直缝的长度为a0；人字形切口32至加载试件3对应一侧的边缘为断裂韧性区，断裂韧性区的横向最大长度为b；

2.根据权利要求1所述的混凝土直接拉伸装置，其特征在于：加载试件3为矩形板，r远大于圆杆2的直径。

3.如权利要求1所述的混凝土直接拉伸装置的ⅰ型断裂韧性直接确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的混凝土直接拉伸装置的ⅰ型断裂韧性直接确定方法，其特征在于，步骤二中：拉伸过程中两侧的人字形切口32保持水平，两根圆杆2分别接触中央圆孔31的最高点和最低点。

5.根据权利要求3所述的混凝土直接拉伸装置的ⅰ型断裂韧性直接确定方法，其特征在于，步骤三具体为：

技术总结
本发明涉及一种混凝土直接拉伸装置和Ⅰ型断裂韧性直接确定方法。本发明适用于混凝土断裂力学领域。本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种混凝土直接拉伸装置和Ⅰ型断裂韧性直接确定方法。这种混凝土直接拉伸装置，包括：槽形外框和圆杆，槽形外框两侧翼缘均设有孔洞，槽形外框顶端中央设有环扣，槽形外框通过环扣连接试验机；加载试件的厚度为B，加载试件开有中央圆孔，中央圆孔的孔径为R，且圆孔横向上对称地设有两道人字形切口，人字形切口在横向上的长度为a<subgt;1</subgt;,人字形切口最深处为一段直缝，直缝的长度为a<subgt;0</subgt;；人字形切口至加载试件对应一侧的边缘为断裂韧性区，断裂韧性区的横向最大长度为b。

技术研发人员：陈平,蒋奇勇,陈云
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12