混凝土结构的损伤失稳分析

2017-04-09马庆涛

四川水泥 2017年5期

关键词：断裂力学宏观力学

马庆涛

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400074)

混凝土结构的损伤失稳分析

马庆涛

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400074)

本文通过运用断裂与损伤力学的相关知识，从理论的角度，阐述了混凝土结构的宏观力学性质与断裂机理，分析了混凝土结构的失稳破坏过程。对比了传统固体力学与断裂损伤力学在混凝土结构分析问题上的异同。断裂力学主要是研究宏观裂纹的扩展以及含宏观裂纹的变形体的力学性能，而损伤力学主要是研究宏观裂纹扩展以前的情况，即微观下混凝土裂纹的形成过程。宏观的损伤力学是以连续介质损伤力学的观点来研究材料的损伤破坏。这种方法的优点是其以材料的宏观力学性能测试为基础，因而便于工程应用。

混凝土；失稳；损伤破坏；裂纹

1 引言

随着近代社会的蓬勃发展，大量的混凝土结构物在土建、水利、国防建设等领域应运而生，它作为一种常见的材料，研究其破坏失稳行为对保证结构安全、改善施工工艺具有重要意义。从宏观断裂角度下看，混凝土材料发生破坏主要是由于裂纹性缺陷扩展造成的，这些裂纹在混凝土结构物中形成贯通裂缝，致使结构不能承载，发生失稳。但是，在宏观断裂角度下却无法分析宏观裂纹出现以前材料中的微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响，而且许多微裂纹的存在并不能简化为宏观裂纹。根据热胀冷缩知道，混凝土结构物每次经历气温的骤降或者急剧升温之后，在其内部就会形成一定的温度梯度，期间就会发生应力的重分布，在一些应力不能抵消的情况下，在其内部就会形成很多微小的裂纹。当然混凝土结构在浇筑、成形过程中也会无法避兔的产生一些微孔洞，间隙及材料的裂隙等缺陷，我们把这些缺陷与微小裂纹称为混凝土结构的损伤，在外部菏载的作用下，这些损伤可能就会不断的聚合、扩展延伸，甚至会丧失稳定以致引起结构的破坏。基与此有必要从微观的角度下，运用损伤力学的观点去解释混凝土材料中存在的分布缺陷，去解释裂纹尖端附近损伤区的裂纹扩展行为。因此，将宏观断裂力学与微观损伤力学结合起来揭示混凝土材料的失稳破坏现象。

2 混凝土结构失稳破坏的过程

众所周知，任何一种材料在外力作用下具有产生塑形变形的能力。混凝土可看作是一种各向异性的材料，这是因为其内部组成材料的分布具有相当大的随机性，由于材料分布的不均匀性和不确定性，使其破坏行为非常复杂。

混凝土材料在浇筑过程当中，由于施工工艺的缺陷，无法回避的会形成微孔洞，毛细孔，材料间的间隙及裂纹、晶粒、胶结、分层等，并且这些形成的空间，其大小的尺寸不同，因而会在某种作用下使混凝凝土产生应变，即产生位移的方式来松弛材料之间的应力不平衡。在外部载荷（温度梯度产生的温度应力或外加荷载等）作用下，当其产生的应力水平低于间隙，孔洞周围材料的位移移动所引起的应力水平时，这时，孔洞可能会表现出一定程度的压实，使混凝土材料处于更好的受力状态当中。在外部载荷水平足够高时，材料将会产生力学效应，此时材料的位移开始出现加速运动，其产生的速度与所施加剪应力的大小和速度而急剧增加。使其在混凝土内部的材料之间的界面处，空洞处产生混凝土的初始裂纹。所以说，混凝土本身就存在很多微小的裂纹，这是施工工艺所带来初始缺陷。因此，我们应该知道，在实际工程中使用的混凝土材料及其结构是存在初始损伤的，其从开始变形直至破坏，是一个逐渐劣化的过程，在这个过程中，微裂纹的聚合和长大造成了宏观裂纹的形成和发展，最终导致混凝土结构的整体失稳。

3 传统固体力学与断裂损伤力学在混凝土结构分析问题上的异同

材料力学、弹塑性力学等传统力学都是假定材料为各向均匀连续，依据材料的强度设计，按照表征材料的强度的屈服极限、强度极限等性能指标，在各种应力状态下计算出材料的强度是否满足机构的要求。这种做法对于混凝土结构来说，就是忽视了混凝土结构的初始缺陷，在理论上没有考虑这些初始缺陷在荷载作用下的演化，忽视其对结构物的影响，显然，与我们的实际情况有出入。

从前面的讨论可知，混凝土在浇筑及凝结过程中，不可避免地会形成一些细观缺陷，而且这些原有的缺陷在外载及环境因素的作用下将会有所发展。混凝土结构的破坏不是突然的，他是结构在建造过程当中产生的微裂纹等初始缺陷，在外部荷载的作用逐渐演化，聚集，使之发展成为宏观裂纹，进而失去承载能力，发生断裂。因此，断裂与损伤力学在分析混凝土结构失稳的问题上具有较好的实际意义。

4 混凝土结构发生断裂的机理

断裂力学作为一门新兴学科，在研究含缺陷或微小裂纹的物体在外界条件作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播具有一定的优势。断裂力学是研究含缺陷材料和结构的破坏问题，而混凝土正是含较多裂缝的材料，因此使用断裂力学概念来给出混凝土的破坏机理和宏观裂缝的稳定性。

由上面的分析可知，混凝土结构的断裂正是上述各种初始微裂纹在外荷载下的扩展导致的。主要有下面几步：①初始微裂纹的产生。在混凝土结构形成过程当中，不可避免的会形成初始缺陷，在外部因素(如力、温度等)的作用下，混凝土材料间会形成大量的微小裂纹。从本质上讲，这些微裂纹是离散的，但作为一种简单的近似，在损伤力学中，所有的微裂纹被连续化，它们对材料的影响用一个或几个连续的内部场变量来表示，这种变量被称为损伤变量。研究比较早的成果如Loland损伤模型、Mazars损伤模型等。②微裂纹的扩展。经过损伤微观分析可知，混凝土结构中存在初始缺陷，在外部荷载进一步增大时，微裂纹的尖端应力集中明显，并开始扩展，同时，在混凝土内部的基材界面处也会开始形成新的微裂纹，并且逐步扩展。随着荷载的再次增大，微裂纹便会相互衔接，构成尺度较大的裂纹，为形成宏观裂缝准备了条件。③失稳破坏阶段。在这个阶段，若盒子继续增加，裂纹会在进一步扩展，最终各个裂纹之间会相互连接，形成一条宏观的贯通大裂纹。这是，混凝土会失去承载能力，导致整个混凝土结构整体断裂。