混凝土結構的損傷失穩分析

馬慶濤

(重慶交通大學 土木工程學院重慶 400074)

混凝土結構的損傷失穩分析

馬慶濤

(重慶交通大學 土木工程學院重慶 400074)

本文通過運用斷裂與損傷力學的相關知識，從理論的角度，闡述了混凝土結構的宏觀力學性質與斷裂機理，分析了混凝土結構的失穩破壞過程。對比了傳統固體力學與斷裂損傷力學在混凝土結構分析問題上的異同。斷裂力學主要是研究宏觀裂紋的擴展以及含宏觀裂紋的變形體的力學性能，而損傷力學主要是研究宏觀裂紋擴展以前的情況，即微觀下混凝土裂紋的形成過程。宏觀的損傷力學是以連續介質損傷力學的觀點來研究材料的損傷破壞。這種方法的優點是其以材料的宏觀力學性能測試為基礎，因而便于工程應用。

混凝土；失穩；損傷破壞；裂紋

1 引言

隨著近代社會的蓬勃發展，大量的混凝土結構物在土建、水利、國防建設等領域應運而生，它作為一種常見的材料，研究其破壞失穩行為對保證結構安全、改善施工工藝具有重要意義。從宏觀斷裂角度下看，混凝土材料發生破壞主要是由于裂紋性缺陷擴展造成的，這些裂紋在混凝土結構物中形成貫通裂縫，致使結構不能承載，發生失穩。但是，在宏觀斷裂角度下卻無法分析宏觀裂紋出現以前材料中的微裂紋的形成及其發展對材料力學性能的影響，而且許多微裂紋的存在并不能簡化為宏觀裂紋。根據熱脹冷縮知道，混凝土結構物每次經歷氣溫的驟降或者急劇升溫之后，在其內部就會形成一定的溫度梯度，期間就會發生應力的重分布，在一些應力不能抵消的情況下，在其內部就會形成很多微小的裂紋。當然混凝土結構在澆筑、成形過程中也會無法避兔的產生一些微孔洞，間隙及材料的裂隙等缺陷，我們把這些缺陷與微小裂紋稱為混凝土結構的損傷，在外部菏載的作用下，這些損傷可能就會不斷的聚合、擴展延伸，甚至會喪失穩定以致引起結構的破壞。基與此有必要從微觀的角度下，運用損傷力學的觀點去解釋混凝土材料中存在的分布缺陷，去解釋裂紋尖端附近損傷區的裂紋擴展行為。因此，將宏觀斷裂力學與微觀損傷力學結合起來揭示混凝土材料的失穩破壞現象。

2 混凝土結構失穩破壞的過程

眾所周知，任何一種材料在外力作用下具有產生塑形變形的能力。混凝土可看作是一種各向異性的材料，這是因為其內部組成材料的分布具有相當大的隨機性，由于材料分布的不均勻性和不確定性，使其破壞行為非常復雜。

混凝土材料在澆筑過程當中，由于施工工藝的缺陷，無法回避的會形成微孔洞，毛細孔，材料間的間隙及裂紋、晶粒、膠結、分層等，并且這些形成的空間，其大小的尺寸不同，因而會在某種作用下使混凝凝土產生應變，即產生位移的方式來松弛材料之間的應力不平衡。在外部載荷（溫度梯度產生的溫度應力或外加荷載等）作用下，當其產生的應力水平低于間隙，孔洞周圍材料的位移移動所引起的應力水平時，這時，孔洞可能會表現出一定程度的壓實，使混凝土材料處于更好的受力狀態當中。在外部載荷水平足夠高時，材料將會產生力學效應，此時材料的位移開始出現加速運動，其產生的速度與所施加剪應力的大小和速度而急劇增加。使其在混凝土內部的材料之間的界面處，空洞處產生混凝土的初始裂紋。所以說，混凝土本身就存在很多微小的裂紋，這是施工工藝所帶來初始缺陷。因此，我們應該知道，在實際工程中使用的混凝土材料及其結構是存在初始損傷的，其從開始變形直至破壞，是一個逐漸劣化的過程，在這個過程中，微裂紋的聚合和長大造成了宏觀裂紋的形成和發展，最終導致混凝土結構的整體失穩。

3 傳統固體力學與斷裂損傷力學在混凝土結構分析問題上的異同

材料力學、彈塑性力學等傳統力學都是假定材料為各向均勻連續，依據材料的強度設計，按照表征材料的強度的屈服極限、強度極限等性能指標，在各種應力狀態下計算出材料的強度是否滿足機構的要求。這種做法對于混凝土結構來說，就是忽視了混凝土結構的初始缺陷，在理論上沒有考慮這些初始缺陷在荷載作用下的演化，忽視其對結構物的影響，顯然，與我們的實際情況有出入。

從前面的討論可知，混凝土在澆筑及凝結過程中，不可避免地會形成一些細觀缺陷，而且這些原有的缺陷在外載及環境因素的作用下將會有所發展。混凝土結構的破壞不是突然的，他是結構在建造過程當中產生的微裂紋等初始缺陷，在外部荷載的作用逐漸演化，聚集，使之發展成為宏觀裂紋，進而失去承載能力，發生斷裂。因此，斷裂與損傷力學在分析混凝土結構失穩的問題上具有較好的實際意義。

4 混凝土結構發生斷裂的機理

斷裂力學作為一門新興學科，在研究含缺陷或微小裂紋的物體在外界條件作用下宏觀裂紋的擴展、失穩開裂、傳播具有一定的優勢。斷裂力學是研究含缺陷材料和結構的破壞問題，而混凝土正是含較多裂縫的材料，因此使用斷裂力學概念來給出混凝土的破壞機理和宏觀裂縫的穩定性。

由上面的分析可知，混凝土結構的斷裂正是上述各種初始微裂紋在外荷載下的擴展導致的。主要有下面幾步：①初始微裂紋的產生。在混凝土結構形成過程當中，不可避免的會形成初始缺陷，在外部因素(如力、溫度等)的作用下，混凝土材料間會形成大量的微小裂紋。從本質上講，這些微裂紋是離散的，但作為一種簡單的近似，在損傷力學中，所有的微裂紋被連續化，它們對材料的影響用一個或幾個連續的內部場變量來表示，這種變量被稱為損傷變量。研究比較早的成果如Loland損傷模型、Mazars損傷模型等。②微裂紋的擴展。經過損傷微觀分析可知，混凝土結構中存在初始缺陷，在外部荷載進一步增大時，微裂紋的尖端應力集中明顯，并開始擴展，同時，在混凝土內部的基材界面處也會開始形成新的微裂紋，并且逐步擴展。隨著荷載的再次增大，微裂紋便會相互銜接，構成尺度較大的裂紋，為形成宏觀裂縫準備了條件。③失穩破壞階段。在這個階段，若盒子繼續增加，裂紋會在進一步擴展，最終各個裂紋之間會相互連接，形成一條宏觀的貫通大裂紋。這是，混凝土會失去承載能力，導致整個混凝土結構整體斷裂。

5 結論

混凝土材料不可避免的會存在某種損傷，這種損傷在外荷載的作用下將會進一步發展，若不予考慮，勢必有一些差異，也不能更加真實的反映材料的破壞。因此，要考慮微觀下的結構損傷。混凝土的破壞機理提出：混凝土的破壞是從微裂紋開始的，因此，如何減少對混凝土結構的初始損傷值得我們考量。

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