斷裂損傷力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用

1、斷裂損傷力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用摘要：通過對斷裂力學(xué)形成過程和形成原因, 來源于生產(chǎn)實踐, 又指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的辯證關(guān)系等進行分析, 說明科學(xué)技術(shù)進步與社會生產(chǎn)實踐相輔相成的辯證關(guān)系, 闡述斷裂力學(xué)的發(fā)展與工程實踐是密切相關(guān)的基本觀點, 并按照斷裂力學(xué)發(fā)展的成熟度, 簡要介紹了線彈性斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂力學(xué)等經(jīng)典斷裂力學(xué)的基本理論。關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué); 形成發(fā)展; 應(yīng)用研究Abstract: For its beautiful colors, dry- green jade is very popular and has an important role in jewelry market. In

2、order to deeply understand the substantive characteristics, the author systematically studies the chemical composition, mineralogy of dry-green of jade by means of microscope, electron micro pro be, X-ray diffraction,Infrared ray spectra, and discovers that this specimen contains tremendous hornblen

3、de and kiosk ocher, but which also contains a lot of mica that rarely appears in jade. So, considering the formationConditions of jade ore deposits, this paper preliminary analyze this special phenomenon, and provides significant clues for the further study of jade.Key words: Kosmochor; Mica; Hornbl

4、ende; Mineral characteristic; Jade ore deposits1 斷裂力學(xué)的形成與發(fā)展斷裂力學(xué)起源于20世紀(jì)初期, 發(fā)展于20世紀(jì)后期, 是一門研究含裂紋物體強度和裂紋擴展規(guī)律的學(xué)科, 是固體力學(xué)的一個新的分支, 也稱為裂紋力學(xué)。斷裂力學(xué)是一門現(xiàn)在仍在不斷發(fā)展和完善的科學(xué), 因此, 它具有前沿性和挑戰(zhàn)性。斷裂理論初始萌芽于上世紀(jì)20年代A·A·格里菲斯對玻璃低應(yīng)力脆斷的研究, 并在貨輪脆斷、橋梁倒塌、鍋爐壓力容器爆炸、美國“北極星”導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼實驗爆炸等一系列世界性重大低應(yīng)力脆斷災(zāi)難事故的促動下, 在經(jīng)典Griffith理論的基礎(chǔ)上得

5、到了進一步的發(fā)展。G·R·歐文( Irwin) 在1958年和1960年發(fā)表了斷裂和斷裂力學(xué)兩篇著名的力學(xué)論文, 提出應(yīng)力強度因子的概念, 使得線彈性斷裂理論取得了重大突破, 應(yīng)力強度因子理論作為斷裂力學(xué)的最初分支線彈性斷裂力學(xué)建立起來。上世紀(jì)60年代, 斷裂力學(xué)這門新興的研究工程結(jié)構(gòu)強度的科學(xué)得到了大力發(fā)展, 并迅速在世界范圍內(nèi)廣泛傳播開來。我國對斷裂力學(xué)的研究至少比國外晚了20年, 直到上世紀(jì)70年代, 斷裂力學(xué)才廣泛引入我國, 一些單位和科技工作者逐步開展了斷裂力學(xué)的研究和應(yīng)用工作。通過對構(gòu)件的分析,運用斷裂力學(xué)的觀點、判據(jù),能把構(gòu)件內(nèi)部裂紋的大小和構(gòu)件工作應(yīng)力,以及

6、材料抵抗斷裂的能力定量聯(lián)系起來,從而可對含裂紋構(gòu)件的安全性和壽命給出定量或半定量的估計,這就為工程構(gòu)件的安全設(shè)計、制定合理的驗收標(biāo)準(zhǔn)和選材原則提供了新的理論基礎(chǔ),對有危險的構(gòu)件嚴(yán)禁使用,以免造成災(zāi)難性事故。同時又能將無危險裂紋的構(gòu)件重新利用,避免造成經(jīng)濟損失。由于斷裂力學(xué)的深入探討和研究,長期以來,在人們印象中的那種“有斷必裂”的概念得到澄清,從而對認(rèn)識斷裂失效和解決斷裂失效提供了有利的證據(jù)。對斷裂力學(xué)的研究體系,大致可分為兩類:一類是宏觀斷裂力學(xué);另一類是微觀斷裂力學(xué)。宏觀斷裂力學(xué)是以各向同性、均質(zhì)的變形固體為研究對象,工程中的斷裂問題都在此研究范疇,根據(jù)宏觀斷裂力學(xué)所研究的材料性質(zhì)不同,又

7、可分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)的應(yīng)用從60年代起就顯示了它巨大的作用,從而推動了斷裂力學(xué)本身理論和實驗技術(shù)的發(fā)展。近年來,斷裂力學(xué)的應(yīng)用得到很大的重視,它的應(yīng)用范圍極其廣泛。大致可分為幾個方面:1)斷裂力學(xué)對工程材料和工程結(jié)構(gòu)提出新的強度觀點和強度準(zhǔn)則,并提出新材料性能和試驗的測定方法,同時給出結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法。2)按照斷裂力學(xué)的基本觀點,任何材料和任何工程結(jié)構(gòu)都不可避免出現(xiàn)缺陷,斷裂力學(xué)建立了一種判斷的準(zhǔn)則,那就是什么是容許裂紋,什么是不容許裂紋。3)對于存在缺陷的構(gòu)件,在外荷載的作用下,應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論來判斷構(gòu)件剩余使用壽命。4)應(yīng)用斷裂力學(xué)判斷影響工程材料和工程結(jié)構(gòu)的主

8、要斷裂因素及其影響的程度和變化規(guī)律。5)利用斷裂力學(xué)的知識找出緩解裂紋擴展和阻止裂紋斷裂的方法。6)利用斷裂力學(xué)的原理,研究裂紋、結(jié)構(gòu)、使用條件三者之間的關(guān)系和它們之間的變化規(guī)律,確定材料抗斷裂性能指標(biāo)。并以此作為設(shè)計依據(jù)來確定構(gòu)件的尺寸,保證其在使用壽命期間的可靠性。2 損傷力學(xué)的形成與發(fā)展20世紀(jì)中葉Kachanov(1958年)最初提出了用連續(xù)性變量描述材料受損的連續(xù)性變化過程。Rabotnov后來做了推廣,為損傷力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。但在此后的十年中,這個概念幾乎無人問津。直到70年代,該概念才被人們重視。法國的Lemaitre用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)的觀點研究了損傷對金屬材料的彈性、塑性的影

9、響;隨后,瑞典的Hult ,英國的Leckie研究了損傷和蠕變的耦合作用。這一階段形成了連續(xù)損傷力學(xué)的框架和唯象學(xué)基礎(chǔ)。80年代日本Murakami(村上澄男)等從微裂紋的尺度和幾何分布方面研究了損傷的各項異性及其對材料的力學(xué)性能的影響。1981年歐洲力學(xué)協(xié)會在法國的Cachan舉行了首次損傷力學(xué)國際討論會4。同年,我國的有關(guān)刊物開始登載關(guān)于損傷理論的文章。此后十多年,損傷力學(xué)有了很大的發(fā)展,在宏觀唯象學(xué)理論框架和損傷材料本構(gòu)行為的復(fù)雜連續(xù)介質(zhì)描述等方面都有了較為成熟的研究結(jié)果。到了90年代,損傷力學(xué)研究的重點是損傷的宏細觀理論,其特征為:引入多層次的缺陷幾何結(jié)構(gòu),在材料的宏觀體元中引入細觀或

10、微觀的缺陷結(jié)構(gòu),試圖在材料細觀結(jié)構(gòu)的演化與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間建立起某種聯(lián)系,對材料的本構(gòu)行為進行宏觀、細、微觀相結(jié)合的描述。這種研究正在成為追蹤材料從變形、損傷到失穩(wěn)或破壞的全過程,以解決固體力學(xué)部分課題的主要途徑。3 斷裂力學(xué)的應(yīng)用與研究斷裂力學(xué)根據(jù)所研究裂紋尖端附近材料塑性區(qū)的大小, 可分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué);根據(jù)引起斷裂的載荷性質(zhì), 又可分為斷裂靜力學(xué)和斷裂動力學(xué)。線彈性斷裂力學(xué)是應(yīng)用線彈性理論研究物體裂紋擴展的規(guī)律和斷裂準(zhǔn)則。1921年A. A.格里菲斯通過分析材料的低應(yīng)力脆斷, 提出了裂紋失穩(wěn)擴展準(zhǔn)則( 格里菲斯準(zhǔn)則) 。1957年G. R. 歐文通過分析裂紋尖端附近的應(yīng)力

11、場, 提出了應(yīng)力強度因子的概念, 建立起以應(yīng)力強度因子為參量的裂紋擴展準(zhǔn)則。線彈性斷裂力學(xué)主要用于解決脆性材料的平面應(yīng)變斷裂問題, 多用于發(fā)動機轉(zhuǎn)子、大型接頭和車軸等大型構(gòu)件和脆性材料的斷裂分析。彈塑性斷裂力學(xué)是應(yīng)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)來研究物體裂紋擴展規(guī)律和斷裂準(zhǔn)則, 多用于有裂紋構(gòu)件內(nèi)裂紋尖端附近有較大范圍塑性區(qū)的情況, 多采用J積分法、COD( 裂紋張開位移) 法、R( 阻力) 曲線法等近似或?qū)嶒灧椒ㄟM行分析。對于薄板平面應(yīng)力斷裂問題通常也采用彈塑性斷裂力學(xué)來進行研究。另外, 彈塑性斷裂力學(xué)在焊接結(jié)構(gòu)缺陷評定、壓力容器斷裂控制、結(jié)構(gòu)物低周疲勞和蠕變斷裂的研究等方面也起到了重要作用。線彈性斷

12、裂理論的研究和應(yīng)用已比較成熟, 彈塑性斷裂力學(xué)的理論迄今仍不成熟, 彈塑性裂紋的擴展規(guī)律還有待于進一步研究。斷裂力學(xué)不僅可以用于預(yù)測在外界條件影響下有裂紋構(gòu)件的最大承載能力, 還能夠預(yù)測在外界條件影響下裂紋擴展到臨界尺寸的速率等, 目前在航空航天、交通運輸、能源化工、機械材料等工程領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用, 其研究方法已列入上述各部門的設(shè)計、制造、驗收及使用規(guī)范中。4 斷裂損傷力學(xué)在混凝土中的應(yīng)用4.1 混凝土損傷與斷裂過程混凝土材料的力學(xué)性能是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù),它取決于原材料的品質(zhì)、組分、澆灌工藝和使用條件。如何配置滿足結(jié)構(gòu)要求的混凝土,充分利用混凝土的力學(xué)性能,設(shè)計和建造出經(jīng)濟、技

13、術(shù)安全和結(jié)構(gòu)合理的建筑物或工程結(jié)構(gòu),對于結(jié)構(gòu)工程師來說是必不可少的知識。過去,人們對于混凝土力學(xué)性能的探索,在很大程度上要依靠試驗技術(shù)和測試手段。隨著試驗技術(shù)的發(fā)展,混凝土各種力學(xué)性能被揭示出來。人們通過試驗逐漸認(rèn)清了混凝土的壓縮、拉伸和彎曲等力學(xué)性能并在結(jié)構(gòu)設(shè)計中加以引用。從國內(nèi)外已有的試驗資料可知:混凝土是典型的非均勻材料,其中含有微裂紋,甚至有宏觀的缺陷如裂紋、夾碴、氣泡、孔穴等。混凝土的強度、變形和破壞性能都與裂紋的擴展有關(guān)。對于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的亞微觀分析發(fā)現(xiàn)2,混凝土在承受載荷以前已存在裂紋,這些裂紋大致可以分為兩種類型:1)隨機分布的微裂紋,它在一定程度上控制著混凝土的抗拉和抗壓等

14、宏觀強度;2)方向一定的宏觀裂紋,它有時使得混凝土的力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性?；炷令惒牧系臄嗔堰^程受控于其中原有的微裂紋,微裂紋一方面影響宏觀裂紋的萌生過程,另一方面對主裂紋產(chǎn)生屏蔽和劣化的雙重作用5?；炷恋钠茐氖怯捎趯ο篌w系中潛在的各種缺陷引起的,其破壞過程實際上就是微裂紋萌生、擴展、貫通,直到產(chǎn)生宏觀裂紋,導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破裂的過程。4.2 混凝土斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀1920年Griffith在研究玻璃等脆性材料時提出了斷裂理論,經(jīng)Irin和Owen的修正和發(fā)展,20世紀(jì)50年代形成了適用于高強度鋼材的線彈性斷裂力學(xué)。線彈性斷裂力學(xué)出現(xiàn)后,土木工程師很容易想到能否用斷裂力學(xué)的概念研究混凝土的破

15、壞機理和宏觀裂縫的穩(wěn)定性。Neville最先把Griffith理論應(yīng)用于混凝土,他認(rèn)為試件尺寸對于強度的影響與混凝土中隨機分布的裂紋有關(guān)。1961年,Kaplan首先將斷裂力學(xué)的概念引用到混凝土中,并進行了混凝土的斷裂韌度試驗。此后國內(nèi)外更多的工作是進行各種斷裂模式(包括拉裂模式、剪切模式和撕裂模式)的實驗研究以及斷裂韌度的測試,并積累了大量的測試資料,提出了一系列應(yīng)力強度因子的計算方法和經(jīng)驗斷裂判據(jù)。在此基礎(chǔ)上人們開始研究裂縫的存在對于斷裂過程的影響。雖然這種研究仍然是基于線彈性力學(xué)的基本假設(shè),并且所能考慮的裂縫數(shù)目和形態(tài)都非常有限,但是這些基本研究使人們對于這類斷裂物理現(xiàn)象有了較為清晰的認(rèn)

16、識。同時,線彈性斷裂力學(xué)在結(jié)構(gòu)工程及其設(shè)計上也有成功的應(yīng)用。在斷裂力學(xué)中,按裂縫受力情況,將裂縫分為三種基本類型,如圖1所示。1)張開型()裂縫,拉力不僅與裂縫面垂直,而且與裂縫前緣垂直;2)滑開型()裂縫,裂縫受平行于裂縫面而垂直于裂縫前緣的剪力作用;3)撕開型()裂縫,裂縫受平行于裂縫面又平行于裂縫前緣的剪力作用。無論何種形式的載荷,都會在裂縫尖端形成應(yīng)力集中或應(yīng)力趨于無窮大的奇異性。在斷裂力學(xué)中,能量釋放率G是衡量裂縫擴展的重要指標(biāo)。它是指擴展單位裂縫表面積( A) ,裂縫體所釋放的應(yīng)變能( U) 。這種斷裂指標(biāo)存在如下數(shù)量關(guān)系:其中,B為平行裂縫前緣且平行于裂縫面的裂縫寬度; 為垂直于

17、裂縫前緣且平行于裂縫面的長度;為裂縫擴展的長度。還有一個表示抗斷裂性能的指標(biāo)是裂縫尖端的應(yīng)力強度因子K,它不代表某一點的應(yīng)力,而是代表應(yīng)力場強度的物理量,用它作為參量來建立破壞條件是恰當(dāng)?shù)摹?yīng)力強度因子一般可寫為:式中:名義應(yīng)力(裂縫位置上按無裂縫計算的應(yīng)力) ;a裂縫尺寸(裂縫長或深) ;Y形狀系數(shù)(與裂縫大小、位置等有關(guān)) 。能量釋放率G與裂縫尖端的應(yīng)力強度因子K之間有一定的關(guān)系:對于型裂縫: 其中, (平面應(yīng)力情況) , (平面應(yīng)變情況) 。型裂縫同型裂縫是相同的。對于型裂縫: 其中,v為泊松比; E為楊氏彈性模量。在研究裂縫尖端的開裂狀態(tài)時,一般都以能量釋放率G和強度因子K為研究對象。

18、總之,斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土中的研究前景非常廣闊,斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在理論上的突破會給混凝土的發(fā)展帶來不可估量的價值,從而推動建筑業(yè)、道路、橋梁等多種行業(yè)的發(fā)展。5 結(jié)束語 斷裂損傷力學(xué)理論是在現(xiàn)實生活中重多的災(zāi)難性斷裂事故中形成,并不斷發(fā)展和完善起來的, 它來源于社會生產(chǎn)實踐, 又辯證地反過來指導(dǎo)人們的生產(chǎn)實踐。由于斷裂損傷力學(xué)在我國的研究起步較晚,加之其所涉及的不僅是材料力學(xué)的發(fā)展與充實, 而且還涉及到金屬物理學(xué)、冶金學(xué)、材料科學(xué)、計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容, 現(xiàn)在乃至將來的一段時間內(nèi)仍將處于發(fā)展研究階段。隨著概率斷裂力學(xué)等研究方法的引入, 斷裂損傷力學(xué)研究內(nèi)容會更加豐富, 研究理論會更加完善,并在生產(chǎn)實際中得到進一步的發(fā)展, 發(fā)揮更大的指導(dǎo)作用。