探究钢筋混凝土构件的尺寸效应研究进展及展望

■季 生 ■南通市交通建设咨询监理有限公司，江苏 南通 226000

受到钢筋混凝土结构间距、外形、浇筑时间、保护层厚度、以及混凝土强度等相关因素的影响，会导致混凝土结构的力学性能发生明显的改变。在这一过程当中，钢筋混凝土构件的尺寸效应造成了相当大的影响。掌握钢筋混凝土构件尺寸效应发展动态能够有助于研究混凝土材料以及混凝土与钢筋共同作用之间的问题。本文即尝试对钢筋混凝土构件的尺寸效应问题展开分析与研究。

1 钢筋混凝土构件尺寸效应理论分析

对于钢筋混凝土构件而言，与尺寸效应相关的研究理论主要涉及到七种类型：第一类是基于Weibull的尺寸效应统计理论，第二类是基于能量释放引起的尺寸效应理论，第三类是基于裂纹分析特征引起的尺寸效应理论，第四类是基于材料非均匀性的边界层尺寸效应理论，第五类是基于扩散现象引起的时间依赖性尺寸效应理论，第六类基于裂纹尖端三维应力奇异性引起的尺寸效应理论；第七类是基于材料本构时间依赖性引起的尺寸效应理论。从钢筋混凝土构件常规运行工况的角度上，在断裂尺寸效应重要程度提升的背景之下，后四类尺寸效应理论的的价值不够突出，对尺寸效应理论的分析应当集中在前三类理论中。当前对以上三类尺寸理论的研究现状可以分析如下：

(1)基于Weibull的尺寸效应统计理论。尺寸效应理论在概率分析以及试验研究领域中得到了一定的发展与完善。1926年，Peirce等人在概率分析的基础之上构建了基于链的最弱连接模型，同时对前人所提出的极值统计理论研究内涵以及中心思想进行了分析论证。1939年，Weibull通过概率试验的方式得出了一个关键性的结论，即针对具有极小概率的极小强度的尾分布而言，无法使用当前任何的分布来对该概念进行描述。为了使强度极值分布律得到准确的描述，可采取的方法在于引入一个具有门槛值特点的幂函数律。后来也有相关的研究人员通过引入材料微裂纹下分布概率模型的方式，证实了Weibull所提出的这一研究结果。在以上发展过程当中，最终形成了可适用于结构构件研究领域的基于Weibull的尺寸效应统计理论，认为可以将其作用于以下几种结构类型：第一是在宏观裂纹起始位置发生失效的钢筋混凝土构件结构，第二是失效位置仅引起小断裂过程区的钢筋混凝土构件结构(可忽略应力重分布影响)。对于疲劳因素影响下韧性降低的金属结构而言，这种尺寸效应理论的价值优势相当突出。但对于钢筋混凝土构件一类材料而言，该理论仍然处于修正与完善的阶段中。

(2)基于能量释放引起的尺寸效应理论。在有关能量释放所产生尺寸效应理论的研究工作当中，最具代表性的研究理论应当是由Bazant等人所提出的尺寸效应律研究理论。在Bazant等人所提出的尺寸效应律研究理论当中，关注的重点在于：对于绝大部分的准脆性材料而言，在出现裂纹且裂纹发生延伸扩展的情况下，并不会直接造成破坏。对于典型的混凝土材料、岩石材料、复合材料、以及灌浆土壤等准脆性材料而言，尺寸效应的核心在于：在材料达到最大荷载水平之前，由一个大规模的裂纹或者是一个包含有微裂纹的大断裂过程区在稳定增长的期间所诱发。关键的诱发因素在于：微裂纹取或者是大裂纹在发展过程当中导致材料内部出现应力重分布的问题，其内部所储存的能量大量释放。换句话来说，在基于能量释放引起的尺寸效应理论当中，中心思想认为材料结构在宏观裂纹扩展过程当中所产生的应变能耗是形成尺寸效应的最主要因素。

(3)基于裂纹分析特征引起的尺寸效应理论。在有关基于裂纹分析特征引起的尺寸效应理论的研究工作当中，最具代表性的研究理论应当是由Carpinteri所提出的多重分形尺寸效应理论。对于混凝土材料而言，由于其微观结构当中具有无序性的特点，且包括微孔穴以及微裂纹在内的各种微观缺陷相互作用，因此导致宏观意义上的断裂力学理论无法准确描述混凝土材料的断裂行为。同时，在准脆性材料当中，内部结构所存在的各向异性以及不连续性分布的缺陷表现会致使材料内部各点的强度表现产生差异。在外部力场恒定的条件下，各个点所对应的应力强度因子会存在差异，强度较低点位容易较早产生裂纹。换句话来说，对于混凝土材料而言，在断裂秦安，内部微裂纹的演变具有分形特点。也就是说，可以通过引入分形维数数学关系式的方式，构建基于多重分形的尺寸效应律，用以对混凝土构件的尺寸效应理论。

2 钢筋混凝土构件梁破坏尺寸效应分析

当前，各个国家与地区对钢筋混凝土梁破坏过程中尺寸效应的研究还存在明显的不足之处，研究内容以混凝土强度尺寸效应对其结构理论分析的影响为主，或者是通过试验研究的方式对较大尺寸的钢筋混凝土梁体进行分析。已有的研究成果中显示：对于钢筋混凝土梁体结构而言，其抗剪强度具有明显的尺寸效应表现。一般而言，经过尺寸效应试验处理的梁体结构破坏抗剪强度较设计标准中的抗剪强度而言更低。同时，梁体结构尺寸对箍筋所提供的抗剪强度以及在开裂后的工作性能表现并没有直接的影响。造成这一现象的主要因素在于：钢筋混凝土梁体结构中少筋梁剪应力理算程度超过预期标准。

有关研究人员在对前人所获取试验数据进行分析的过程当中引入了统计学方法，认为尺寸效应影响是在对混净土梁体结构抗剪强度进行分析期间必须纳入考量的因素之一。在此基础之上，通过修正抗剪强度标准规范的方式，形成建立在非线性断裂力学条件下的开裂段模型，能够满足普通以及高强度钢筋混凝土梁体结构的分析工作。同时，研究人员发现：相对于较大尺寸的钢筋混凝土结构深梁而言，尺寸效应并不会对斜向裂缝的开裂强度产生影响，但会导致极限抗剪强度的变化。后又有研究人员设置有5组(共计36根)钢筋混凝土简支梁的试验，展开了对梁体结构尺寸效应的分析工作。分析结果认为：钢筋混凝土梁体结构受弯承载力水平较少受到尺寸效应的影响，尺寸效应对钢筋混凝土梁体结构的影响在护腰集中在受剪承载力方面。主要机制在于：受拉纵筋屈服造成梁体结构发生受弯破坏。

3 钢筋混凝土构件柱破坏尺寸效应分析

Bazant等相关研究人员为了证实钢筋混凝土构件柱破坏过程当中存在显著的尺寸效应，且为了研究钢筋混凝土构件强度与尺寸之间的对应关系，以细石混凝土浇筑前的钢筋混凝土柱作为研究对象，进行了缩压试验。在研究数据显示：钢筋混凝土构件柱破坏过程当中的尺寸效应表现相当显著。但，钢筋混凝土构件柱破坏方式的而表现却存在一定的差异性，即部分破坏发生在钢筋混凝土构件柱中段，部分破坏发生在钢筋混凝土构件柱前端。在破坏所发生部位不同的影响下，能量的释放也有一定的差异性。

在此基础之上，有关研究人员还引入微平面模型，通过有限元分析的方式对前人所开展的钢筋混凝土构件柱破坏尺寸效应试验结果进行了分析，分析得出了以下几个方面的结论：第一，在不同的破坏区域发生未知作用之下，峰值荷载所对应的尺寸效应同样存在；第二，由于储存在钢筋混凝土构件柱结构当中的应变能力发生释放反应，进而会导致钢筋混凝土构件柱结构发生受压破坏，其机制与受拉破坏高度相似；第三，可以通过开裂分析的方式得到钢筋混凝土构件柱在偏压破坏条件下的尺寸效应。

4 结束语

混凝土作为一种典型的非均质材料，具有多相多孔的特征，且在尺寸不断增大的条件下，其非均质性表现将更加突出，由(此导致破坏随机性增大。尺寸效应的研究显得更加关键。本文在对现阶段钢筋混凝土构件尺寸效应研究理论进行集中分析的基础之上，合并分析了对于钢筋混凝土构件而言，在梁结构与柱结构破坏条件下的尺寸效应表现，望进一步丰富研究。

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