淺析斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土中的應(yīng)用

姚山

[摘要]隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度也在不斷加快。一方面我國人口眾多，需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來滿足人們的需求；另一方面我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得地區(qū)之間的聯(lián)系越來越緊密，這就需要密集的交通線路來滿足人們的需求。在交通方面我們現(xiàn)在有發(fā)達(dá)的鐵路和公路網(wǎng)，尤其在高鐵建設(shè)方面，我國高鐵總里程是世界最長，并且發(fā)展最為完善的國家。

[關(guān)鍵詞]斷裂力學(xué)；損傷力學(xué)；混凝土

文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0100 - 02

1 混凝土應(yīng)用過程中出現(xiàn)的受損現(xiàn)象

混凝土在工程施工過程中由于良好的和易性和黏合性能夠很好的實現(xiàn)與各種混合材料的結(jié)合，但是在使用過程中可能會出現(xiàn)多種問題。一方面由于混凝土是多種材料混合而成，并且在實際的工程施工過程中混凝土?xí)c鋼筋等金屬材料混合使用，在溫度異常變化的地區(qū)，由于熱脹冷縮，混凝土中各種材質(zhì)受熱膨脹程度不同，造成了混凝土內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)受損，最終表現(xiàn)在墻體表面出現(xiàn)墻體的裂縫。并且金屬材料受溫度影響較大，更容易在溫度較高的時候發(fā)生膨脹現(xiàn)象。另一方面由于長時間的受力作用，混凝土墻體可能出現(xiàn)受力不均的現(xiàn)象，部分地區(qū)受力過大，而有些地方受力較小，這些也會造成混凝土出現(xiàn)開裂和變形。

2 斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的介紹

2.1斷裂力學(xué)的介紹

隨著科技的不斷發(fā)展，大型和超大型的工程建設(shè)項目不斷增加，但是這些項目在經(jīng)過長時間的使用過程中也會出現(xiàn)各種問題，比如工程結(jié)構(gòu)及其零件的斷裂，這種事故經(jīng)常會造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了能夠找到工程斷裂的原因以及找到應(yīng)對這種事故的方法，斷裂力學(xué)作為一門新型的學(xué)科逐漸受到了人們的重視。通過人們的研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的斷裂事故均發(fā)生在結(jié)構(gòu)的缺陷處，而傳統(tǒng)的設(shè)計思想存在著一定的問題，即把應(yīng)用中的材料看作是沒有瑕疵的連續(xù)的完整體，容易忽視材料中存在的問題和缺陷。

2.2損傷力學(xué)的介紹

損傷力學(xué)一開始通過用連續(xù)變量描述受損的連續(xù)性變化過程，但是該理論在提出之后沒有得到更大范圍的推廣，也沒有在實際工程中得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代，損傷力學(xué)在金屬材料中才開始得到一定程度的應(yīng)用。并且在接下來的幾十年里損傷力學(xué)的應(yīng)用逐漸得到了推廣和使用，并且在實際的工程施工分析中也得到了應(yīng)用。損傷力學(xué)屬于固體力學(xué)的一個分支，其中會涉及到許多的物理學(xué)和材料學(xué)原理。材料的內(nèi)部多多少少會存在著一定的損傷，這些損傷可能是在材料生產(chǎn)過程中因為雜質(zhì)的進(jìn)入或者生產(chǎn)工藝本身缺陷所致，雖然在使用中可能對結(jié)構(gòu)體本身不會產(chǎn)生過大的干擾，但是長時間的受力作用可能會使結(jié)構(gòu)損傷部位發(fā)生更為嚴(yán)重的應(yīng)力破壞，有的甚至開始出現(xiàn)裂紋。

3 斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土中的應(yīng)用

混凝土材料憑借其高強(qiáng)度、耐腐蝕性等特性，在現(xiàn)在的土木工程建設(shè)過程中得到了廣泛的推廣，而混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的影響也并非是單一的，在實際的工程實踐過程中混凝土中會摻雜各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的數(shù)量會嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度和結(jié)合性。通過我們長時間的實驗探究發(fā)現(xiàn)，混凝土屬于典型的非均勻材料，由于混凝土在混合的過程中并不能夠按照每方的添加材料進(jìn)行混合設(shè)計，而是大量的材料混合生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中混凝土的混合密度會存在著不同，這種情況會造成混凝土受力的不均。并且在長時間的使用過程中混凝土的受力不均現(xiàn)象會被不斷放大。混合較為充分比例更加合理的部分混凝土強(qiáng)度明顯更強(qiáng)，而混合較弱，比例不夠均勻的地方其強(qiáng)度也會較弱，這就造成了混凝土材料構(gòu)件內(nèi)部的受力不均現(xiàn)象，并且會存在較大的受力差距，而一旦發(fā)生較為嚴(yán)重的撞擊或者長時間的承受巨大外力的情況，混凝土便會出現(xiàn)斷裂和受損的現(xiàn)象。

斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土的受力和損傷分析中應(yīng)用性較強(qiáng)，一方面通過建立各種混凝土模型在實驗室中對混凝土的斷裂和損傷受力情況進(jìn)行分析。在現(xiàn)在的工程建設(shè)過程中，我們通過對實際混凝土建筑的研究和混凝土建筑受損情況考察，收集了大量的混凝土斷裂和受損的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)我們在電腦上建立受損或者開裂的混凝土模型，并且通過斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)用于混凝土裂縫和受損未知的分析中。混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂是受力不均或者受到外力的猛力撞擊導(dǎo)致的，這個時候我們可以在模型的受損處施加模擬的受力，觀察混凝土模型在遭受撞擊的過程中裂縫的受力情況，這樣對于混凝土結(jié)構(gòu)受力的分析便能夠更加清晰和準(zhǔn)確。通過該公式能夠獲得在裂縫尖端形成應(yīng)力集中或應(yīng)力趨于無窮大的奇異性： 其中G是衡量裂縫擴(kuò)展的重要指標(biāo)，它是指擴(kuò)展單位裂縫表面積（A），裂縫體所釋放的應(yīng)變能（U）。

當(dāng)然，混凝土模型的建立需要我們經(jīng)過長時間的技術(shù)積累和實際的工程建設(shè)和現(xiàn)場分析中才能夠得到，并且這些受力損傷過程的主要影響因素也并不相同，仍需建立多種影響因素的模型，這樣才能夠在混凝土的受力分析中更加精確和實際的得到混凝土的受損情況和可承受能力。

4 結(jié)語

混凝土工程是現(xiàn)在社會中最為常見的工程之一，常會遇到混凝土在長時間的使用過程中出現(xiàn)開裂和變形的問題。而斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)受力受損情況的分析中能夠發(fā)揮較好的作用，所以開裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土中的應(yīng)用應(yīng)該得到大力的推廣。

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