混凝土結(jié)構(gòu)的損傷失穩(wěn)分析

馬慶濤

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院重慶 400074)

混凝土結(jié)構(gòu)的損傷失穩(wěn)分析

馬慶濤

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院重慶 400074)

本文通過(guò)運(yùn)用斷裂與損傷力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從理論的角度，闡述了混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性質(zhì)與斷裂機(jī)理，分析了混凝土結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞過(guò)程。對(duì)比了傳統(tǒng)固體力學(xué)與斷裂損傷力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題上的異同。斷裂力學(xué)主要是研究宏觀裂紋的擴(kuò)展以及含宏觀裂紋的變形體的力學(xué)性能，而損傷力學(xué)主要是研究宏觀裂紋擴(kuò)展以前的情況，即微觀下混凝土裂紋的形成過(guò)程。宏觀的損傷力學(xué)是以連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)研究材料的損傷破壞。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是其以材料的宏觀力學(xué)性能測(cè)試為基礎(chǔ)，因而便于工程應(yīng)用。

混凝土；失穩(wěn)；損傷破壞；裂紋

1 引言

隨著近代社會(huì)的蓬勃發(fā)展，大量的混凝土結(jié)構(gòu)物在土建、水利、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，它作為一種常見(jiàn)的材料，研究其破壞失穩(wěn)行為對(duì)保證結(jié)構(gòu)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(fā)生破壞主要是由于裂紋性缺陷擴(kuò)展造成的，這些裂紋在混凝土結(jié)構(gòu)物中形成貫通裂縫，致使結(jié)構(gòu)不能承載，發(fā)生失穩(wěn)。但是，在宏觀斷裂角度下卻無(wú)法分析宏觀裂紋出現(xiàn)以前材料中的微裂紋的形成及其發(fā)展對(duì)材料力學(xué)性能的影響，而且許多微裂紋的存在并不能簡(jiǎn)化為宏觀裂紋。根據(jù)熱脹冷縮知道，混凝土結(jié)構(gòu)物每次經(jīng)歷氣溫的驟降或者急劇升溫之后，在其內(nèi)部就會(huì)形成一定的溫度梯度，期間就會(huì)發(fā)生應(yīng)力的重分布，在一些應(yīng)力不能抵消的情況下，在其內(nèi)部就會(huì)形成很多微小的裂紋。當(dāng)然混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑、成形過(guò)程中也會(huì)無(wú)法避兔的產(chǎn)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(jié)構(gòu)的損傷，在外部菏載的作用下，這些損傷可能就會(huì)不斷的聚合、擴(kuò)展延伸，甚至?xí)适Х€(wěn)定以致引起結(jié)構(gòu)的破壞。基與此有必要從微觀的角度下，運(yùn)用損傷力學(xué)的觀點(diǎn)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(qū)的裂紋擴(kuò)展行為。因此，將宏觀斷裂力學(xué)與微觀損傷力學(xué)結(jié)合起來(lái)揭示混凝土材料的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2 混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的過(guò)程

眾所周知，任何一種材料在外力作用下具有產(chǎn)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?yàn)槠鋬?nèi)部組成材料的分布具有相當(dāng)大的隨機(jī)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(fù)雜。

混凝土材料在澆筑過(guò)程當(dāng)中，由于施工工藝的缺陷，無(wú)法回避的會(huì)形成微孔洞，毛細(xì)孔，材料間的間隙及裂紋、晶粒、膠結(jié)、分層等，并且這些形成的空間，其大小的尺寸不同，因而會(huì)在某種作用下使混凝凝土產(chǎn)生應(yīng)變，即產(chǎn)生位移的方式來(lái)松弛材料之間的應(yīng)力不平衡。在外部載荷（溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力或外加荷載等）作用下，當(dāng)其產(chǎn)生的應(yīng)力水平低于間隙，孔洞周?chē)牧系奈灰埔苿?dòng)所引起的應(yīng)力水平時(shí)，這時(shí)，孔洞可能會(huì)表現(xiàn)出一定程度的壓實(shí)，使混凝土材料處于更好的受力狀態(tài)當(dāng)中。在外部載荷水平足夠高時(shí)，材料將會(huì)產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，此時(shí)材料的位移開(kāi)始出現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生的速度與所施加剪應(yīng)力的大小和速度而急劇增加。使其在混凝土內(nèi)部的材料之間的界面處，空洞處產(chǎn)生混凝土的初始裂紋。所以說(shuō)，混凝土本身就存在很多微小的裂紋，這是施工工藝所帶來(lái)初始缺陷。因此，我們應(yīng)該知道，在實(shí)際工程中使用的混凝土材料及其結(jié)構(gòu)是存在初始損傷的，其從開(kāi)始變形直至破壞，是一個(gè)逐漸劣化的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，微裂紋的聚合和長(zhǎng)大造成了宏觀裂紋的形成和發(fā)展，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

3 傳統(tǒng)固體力學(xué)與斷裂損傷力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題上的異同

材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等傳統(tǒng)力學(xué)都是假定材料為各向均勻連續(xù)，依據(jù)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，按照表征材料的強(qiáng)度的屈服極限、強(qiáng)度極限等性能指標(biāo)，在各種應(yīng)力狀態(tài)下計(jì)算出材料的強(qiáng)度是否滿足機(jī)構(gòu)的要求。這種做法對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，就是忽視了混凝土結(jié)構(gòu)的初始缺陷，在理論上沒(méi)有考慮這些初始缺陷在荷載作用下的演化，忽視其對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響，顯然，與我們的實(shí)際情況有出入。

從前面的討論可知，混凝土在澆筑及凝結(jié)過(guò)程中，不可避免地會(huì)形成一些細(xì)觀缺陷，而且這些原有的缺陷在外載及環(huán)境因素的作用下將會(huì)有所發(fā)展。混凝土結(jié)構(gòu)的破壞不是突然的，他是結(jié)構(gòu)在建造過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)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(fā)展成為宏觀裂紋，進(jìn)而失去承載能力，發(fā)生斷裂。因此，斷裂與損傷力學(xué)在分析混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問(wèn)題上具有較好的實(shí)際意義。

4 混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的機(jī)理

斷裂力學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)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(kuò)展、失穩(wěn)開(kāi)裂、傳播具有一定的優(yōu)勢(shì)。斷裂力學(xué)是研究含缺陷材料和結(jié)構(gòu)的破壞問(wèn)題，而混凝土正是含較多裂縫的材料，因此使用斷裂力學(xué)概念來(lái)給出混凝土的破壞機(jī)理和宏觀裂縫的穩(wěn)定性。

由上面的分析可知，混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂正是上述各種初始微裂紋在外荷載下的擴(kuò)展導(dǎo)致的。主要有下面幾步：①初始微裂紋的產(chǎn)生。在混凝土結(jié)構(gòu)形成過(guò)程當(dāng)中，不可避免的會(huì)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(huì)形成大量的微小裂紋。從本質(zhì)上講，這些微裂紋是離散的，但作為一種簡(jiǎn)單的近似，在損傷力學(xué)中，所有的微裂紋被連續(xù)化，它們對(duì)材料的影響用一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)的內(nèi)部場(chǎng)變量來(lái)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(kuò)展。經(jīng)過(guò)損傷微觀分析可知，混凝土結(jié)構(gòu)中存在初始缺陷，在外部荷載進(jìn)一步增大時(shí)，微裂紋的尖端應(yīng)力集中明顯，并開(kāi)始擴(kuò)展，同時(shí)，在混凝土內(nèi)部的基材界面處也會(huì)開(kāi)始形成新的微裂紋，并且逐步擴(kuò)展。隨著荷載的再次增大，微裂紋便會(huì)相互銜接，構(gòu)成尺度較大的裂紋，為形成宏觀裂縫準(zhǔn)備了條件。③失穩(wěn)破壞階段。在這個(gè)階段，若盒子繼續(xù)增加，裂紋會(huì)在進(jìn)一步擴(kuò)展，最終各個(gè)裂紋之間會(huì)相互連接，形成一條宏觀的貫通大裂紋。這是，混凝土?xí)コ休d能力，導(dǎo)致整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)整體斷裂。

5 結(jié)論

混凝土材料不可避免的會(huì)存在某種損傷，這種損傷在外荷載的作用下將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，若不予考慮，勢(shì)必有一些差異，也不能更加真實(shí)的反映材料的破壞。因此，要考慮微觀下的結(jié)構(gòu)損傷。混凝土的破壞機(jī)理提出：混凝土的破壞是從微裂紋開(kāi)始的，因此，如何減少對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的初始損傷值得我們考量。

[1]何慶芝.工程斷裂力學(xué).北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[2]孫雅珍，趙穎.混凝土結(jié)構(gòu)斷裂與損傷耦合分析研究進(jìn)展.沈陽(yáng)津筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001.

[3]鄧宗才.混凝土I型裂縫的損傷斷裂判據(jù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003,22(3)：420- 424.

G322

B

1007-6344（2017）05-0305-01