混凝土斷裂

混凝土材料由於裂縫的形成和發展造成的破壞。混凝土由於施工期温度控制不當或其他原因，會出現微細裂縫。在工作期間，由於荷載和温度變化等因素，這些微細裂縫會發展，部分連通、合併成一條或多條宏觀裂縫並逐步擴展，最終可能導致結構破壞。傳統的強度計算方法沒有考慮裂縫對結構強度的影響。從20世紀60年代開始，混凝土斷裂的研究就引起了人們的重視，提出了不同的分析方法和分析模型。　　斷裂力學方法 　研究材料和工程結構中裂縫產生及擴展規律的學科稱斷裂力學。由於斷裂力學在金屬材料中得到廣泛應用，從1961年開始，美國人M.F.卡普蘭及其他學者將線彈性斷裂力學方法應用於混凝土，採用應力強度因子和能量釋放率作為判斷裂縫是否失穩擴展的斷裂參量，在混凝土（包括鋼筋混凝土）斷裂的研究上取得了成果。但是，對斷裂力學能否用於混凝土還存在着爭論，主要是斷裂韌度（應力強度因子和能量釋放率的臨界值）存在尺寸效應，理論上沒有正確反映裂縫尖端附近的物理力學狀況等。　　虛裂縫模型 　1976年瑞典學者A.希勒伯格提出虛裂縫模型。這一模型認為混凝土結構中宏觀裂縫尖端附近存在着損傷區（微裂縫區），裂縫尖端應力不是無限大。當裂縫尖端的拉應力達到材料的抗拉強度後，形成損傷區，在損傷區內的材料並不完全斷開，因而仍能承受一定的拉應力，拉應力的數值將隨損傷區寬度方向變形的增加而減小，這一現象稱應變軟化。損傷區的長度稱為虛裂縫。消耗於完全張開的單位裂縫面的能量稱為斷裂能。材料的特性可由抗拉強度、彈性模量及斷裂能所決定。利用這一分析模型和有限元方法結合可以分析裂縫的形成和發展。但是，無法求出基於這一模型的解析解，對於二向或三向應力狀態下，應變軟化階段的應力應變關係尚需進行實驗研究。　　損傷力學方法 　物體內微缺陷或微裂紋的存在及發展導致材料力學性能變化的現象稱為損傷。將損傷的力學效應通過“損傷變量”引入連續介質力學，形成了損傷力學的理論和方法，可用來描述受損傷材料的力學行為。1958年,Л.Μ.卡恰諾夫在研究蠕變斷裂時，首先提出了損傷力學的基本概念和方法。70年代後期，由於原子能工業和航天技術方面遇到的新問題，損傷問題的研究開始受到重視並逐漸發展。在一維問題中，設損傷變量D=(A-┯)/A。式中A為體積元的面積；┯為體積元產生損傷後的有效承載面積。D=0,對應無損狀態；D=1,對應於完全損傷；0D1,對應不同的受損狀態。設勎為有效應力（有效承載面積上的應力），則由平衡條件可得：式中勎=P/A為名義應力。D則可由拉伸試驗全過程（包括應變軟化階段）中卸載時的彈性模量確定。隨着荷載的增加，損傷在發展，損傷變量也隨之變化。在各向同性損傷情況,損傷變量是一標量；在各向異性損傷情況,損傷變量是一張量。從一維損傷的研究可推廣到二維或三維損傷問題。選擇恰當的損傷變量，建立符合實際現象的損傷演變方程，通過有效應力的概念可建立受損材料的本構方程（見材料的力學本構關係），進而可求出結構受力後的應力和應變以及損傷區域，根據一定的損傷判據，可以分析結構中損傷區域的形成和發展。　　參考書目　　F.H.　Wittmann, ed.,Fracture　Mechanics　of Concrete,Elsevier Science Publishers, Amsterdamnetherlands,1983.　　L.M. Kachanov,Introduction to Continum damage Mechanics,Martinus Nijhoff Publishers,Dordrecht,Nether-lands,1986.