混凝土作为一种脆性工程材料表现出了明显的尺寸效应(size Effect)。
准确地说,它的混凝土尺寸效应现象表现在两个方面:一是试件尺寸对确定参数的影响,二是在进行数值模拟时,数值计算得到的结果显著的依赖于有限元网格尺寸大小。
例如混凝土梁的弯曲强度随梁高度的增加而降低。
L’Herrnite的研究则表明,由三点弯曲梁测得的混凝土平均抗拉强度随试件体积的增加而降低。
Kadlecek等指出,由三点弯曲梁和四点弯曲梁试验、计算所得的混凝土平均抗拉强度与直接拉伸试件所得混凝土抗拉强度值有显著差别。
Bazant等对混凝土缺口梁的试验研究表明,名义抗拉强度和抗剪强度对试件尺寸有明显的依赖性。
上述研究实质上表明:1.由弹性分析或极限分析反映的水泥基复合材料的抗拉强度是试件体积和结构内部应力场的函数。
这种试件尺寸效应与结构内部原始缺陷有一定的关系。
也就是说材料内部的原始缺陷数量是材料体积的函数,原始缺陷在结构中的拓朴分布必定与施加于这些微缺陷的应力场有关。
文献[17]的研究指出:这种试件尺寸效应可以用初始损伤发展的概率方法来分析。
2.由混凝土缺口试件测得的混凝土断裂韧度有明显的尺寸效应,试件的破坏往往是断裂过程区中微裂缝发展的结果。
断裂过程区的大小往往与材料中骨料粒径大小有直接关系,对于混凝土I型断裂而言,断裂过程区的宽度是最大骨料粒径D max的3倍,而其长度约是D max的5至6倍。
然而断裂过程区的体积并不随结构的尺寸变化。
因而对尺寸较小的试件来说,在断裂过程区和结构的其余部分之间进行的应力和能量重分布是非常重要的。
而对于大试件来说,由于断裂过程区的大小与试件尺寸相比可忽略不计,其损伤可视为集中在裂缝尖端的一个相对小的区域。
这种试件尺寸效应与结构破坏前的损伤发展有关而与材料中原始缺陷无关。
上述两个方面实则指出了两种类型的试件尺寸效应现象,一种与结构的原始缺陷的数量和分布有关,一种与结构在应力作用下的损伤发展有关。
对于有缺口试件而言,预制切口可视为结构内部的最大原始缺陷。
对混凝土这种典型的非均质材料来说,对其力学行为的模拟往往有两种方法:一种是视混凝土为均质材料,采用连续介质力学方法。
定义局部应变和应力,利用一种适当的方法来分析当材料受荷时,应力和应变的变化。
另一种是不再认为混凝土为均质材料,而认为其组份是随机分布,运用概率的方法来研究混凝土的力学行为,这就是通常所说的随机方法(Stochastic Approach)。
已有许多学者运用这种随机方法建立了许多混凝土分析模型。