斷裂力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1、研 究 生 試 卷2012 年2013年度第 2 學(xué)期評 分：_課 程 名 稱： 斷裂與損傷力學(xué) 專 業(yè)： 建筑與土木工程 年 級： 2012 任課教師姓名： 易志堅(jiān) 研 究 生 姓 名： 郭延飛 學(xué) 號： 注 意 事 項(xiàng)1. 答題必須寫清題號；2. 字跡要清楚，保持卷面清潔；3. 試題隨試卷交回；4. 考題課俺百分制評分，考查課可按五級分制評分；5. 閱完卷后，授課教師一周內(nèi)講成績在網(wǎng)上登記并打印簽名后，送研究生部備案；6. 試題、試卷請授課教師保留三年被查。斷裂力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用郭延飛（建筑與土木工程專業(yè)12級5班 ）摘要斷裂力學(xué)是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來研究帶裂紋材料或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及

2、裂紋規(guī)律的一門新興力學(xué)學(xué)科。本文通過對斷裂力學(xué)的論述講解了其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，以及“阻”、“放”、“抗”裂紋控制思想所取得的成果。關(guān)鍵詞斷裂力學(xué) 裂紋控制 混凝土結(jié)構(gòu)1 斷裂力學(xué)簡介斷裂力學(xué)是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的研究帶裂紋材料或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律的一門新興力學(xué)學(xué)科。它能從新的角度進(jìn)行深層次分析、描述破壞過程及評價(jià)損傷狀況，運(yùn)用連續(xù)體力學(xué)的原理，來研究帶有缺陷的均質(zhì)連續(xù)材料制成工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度與斷裂條件，建立一套適用于這類構(gòu)件的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的原理與方法，以確保其安全服役。斷裂力學(xué)的應(yīng)用可帶來土木工程的革新，豐富現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想不同，斷裂力學(xué)承認(rèn)構(gòu)件或材

3、料不可避免地存在的缺陷和裂紋，并以含有裂紋或缺陷的材料和結(jié)構(gòu)為研究對象，研究含缺陷或者裂紋材料和結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，以及在各種工作環(huán)境下裂紋的穩(wěn)定、擴(kuò)展、失穩(wěn)及止裂規(guī)律的一門學(xué)科。它與常規(guī)強(qiáng)度理論的差別是：（1）研究對象不同。常規(guī)理論研究的對象是不含裂紋的物體，斷裂力學(xué)則把存在裂紋或者缺陷的物體作為研究對象，為此，斷裂力學(xué)也稱之為裂紋（體）力學(xué)。（2）研究中運(yùn)用的判據(jù)不同。傳統(tǒng)強(qiáng)度理論判據(jù)結(jié)構(gòu)是否破壞是基于結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力是否超過相應(yīng)材料的允許應(yīng)力。但斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，則裂紋尖端將出現(xiàn)巨大的應(yīng)力集中，即出現(xiàn)應(yīng)力的奇異性，帶裂紋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)無裂紋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。裂紋的擴(kuò)展受裂

4、紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的控制，一旦應(yīng)力強(qiáng)度因子K超過其臨界值Kc，裂紋將擴(kuò)展而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。線彈性斷裂力學(xué)的研究對象是帶有裂紋的線彈性體，其基礎(chǔ)是線彈性理論，目前用于線彈性斷裂力學(xué)研究的有能量理論和應(yīng)力強(qiáng)度因子理論；彈塑性理論斷裂力學(xué)是分析在裂紋端部已有很大塑性區(qū)的大范圍屈服斷裂問題和全面屈服斷裂問題。2 斷裂力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土為主體，配設(shè)不同形式的抗拉鋼筋所構(gòu)成的組合材料，二者的性能互補(bǔ)，成為迄今結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用最成功、最廣泛的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。而其主體材料混凝土，是一種天生存在諸多缺陷的結(jié)構(gòu)材料，在攪拌和澆注過程中混入的少量空氣，經(jīng)振搗后仍有部分殘留在砂漿內(nèi)部，在混凝

5、土的凝固過程中，由于水分蒸發(fā)和水泥砂漿干縮變形等原因，使粗骨料和砂漿界面以及砂漿的內(nèi)部形成不規(guī)則的細(xì)長縫隙，此外，還有一些施工和環(huán)境因素引起混凝土的非均質(zhì)性和不等向性。因此，混凝土結(jié)構(gòu)在承受荷載或外應(yīng)力之前，內(nèi)部已經(jīng)存在少量分散的微裂縫或缺陷，混凝土受力之后直到破壞，都是這些裂縫或缺陷的發(fā)展、匯集、失穩(wěn)擴(kuò)展的過程。斷裂力學(xué)認(rèn)為：混凝土結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)或者更安全的使用最為重要的是確定結(jié)構(gòu)中的微觀裂紋和宏觀裂紋是否將繼續(xù)擴(kuò)展并導(dǎo)致破壞。這種擴(kuò)展可以緩慢而穩(wěn)定并且僅在荷載增加時(shí)存在，或者，裂紋擴(kuò)展到一定程度突然變?yōu)椴环€(wěn)定擴(kuò)展或者停止擴(kuò)展達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。斷裂力學(xué)理論從宏觀上研究裂紋擴(kuò)展，并從結(jié)構(gòu)響應(yīng)中試圖建

6、立起一些參數(shù)來衡量已經(jīng)存在的裂紋是否會擴(kuò)展以及將會以什么樣的速度擴(kuò)展。3 “阻”，“放” “抗”裂紋控制思想斷裂力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用是有很廣闊的前景的。自2002年開始，通過對三種裂紋控制思想以及基于三種裂紋控制思想的鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量深入的研究，共進(jìn)行了百余片新結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)梁的實(shí)驗(yàn)研究，主要成果有： (1)基于斷裂力學(xué)原理，提出了阻裂增強(qiáng)層材料的三條阻裂增強(qiáng)機(jī)理。(2)提出了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)“放”、“阻 抗”三種裂紋控制方法。(3)提出了基于“阻 的裂紋控制思想的，含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)(僅粘貼阻裂增強(qiáng)層，不進(jìn)行預(yù)裂處理)。 (4)通過循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度變

7、化的重要規(guī)律。(5)基于裂紋控制“放”的思想，提出了不采用預(yù)應(yīng)力工藝的“放”、“阻”結(jié)合的超大跨徑含阻裂增強(qiáng)層的預(yù)裂鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)。(6)提出了“放”、“阻”、“抗”三種裂紋控制思想相結(jié)合的、力學(xué)性能可與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土媲美的預(yù)裂預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向輕型、大跨發(fā)展提供了新的思路和方法。(7)首次進(jìn)行了40m超大跨徑無預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的實(shí)驗(yàn)研究，在無預(yù)應(yīng)力、超大跨徑鋼筋混凝土梁的研究方面取得可喜突破。4 高強(qiáng)鋼筋混凝土的裂紋發(fā)展規(guī)律(1)基于斷裂力學(xué)原理的鋼筋的阻裂增強(qiáng)機(jī)理，主要表現(xiàn)在鋼筋為裂紋提供了一對閉合力，減小了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較索混凝土結(jié)構(gòu)

8、能很好地控制裂紋的擴(kuò)展，有效地降低了應(yīng)力強(qiáng)度因子，并且改變了應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化方向，將混凝土拉應(yīng)力控制的破壞轉(zhuǎn)變成為混凝土壓應(yīng)力控制的破壞。(2)在荷載和裂紋高度不變的情況下，鋼筋混凝土梁中鋼筋和混凝土界面剝離長度的變化在一定范圍內(nèi)對應(yīng)力強(qiáng)度因子和鋼筋閉合力有影響，當(dāng)剝離長度發(fā)展至一定值時(shí)其變化對應(yīng)力強(qiáng)度因子和鋼筋閉合力的影響不大。(3)荷載不變的情況下，隨著裂紋高度的增加，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子經(jīng)過了較小的增長之后開始下降，當(dāng)裂紋高度達(dá)到075倍左右梁高時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子趨于零。(4)加載過程中高強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件總體上仍符合適筋梁受彎破壞的典型的三個(gè)階段。(5)高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有基本相同的裂紋發(fā)展的四個(gè)階段，即：開裂階段、裂紋發(fā)展階段、裂紋穩(wěn)定階段、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。(6)高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂紋穩(wěn)定荷載僅有極限荷載的2O左右，而普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋穩(wěn)定荷載已經(jīng)達(dá)到極限荷載的7O多，高