钢筋混凝土梁结构损伤破坏过程的试验分析与数值模拟

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1、20世纪40年代源于Griffth的断裂力学为这一分析提供了理论依据，是材料强度理论的重大发展。它考虑裂纹型的缺陷，据此引入表征缺陷尺度的新的几何量。假设在裂纹型缺陷的边界面上，存在位移和构形几何的间断，但在基体介质中，仍然认为是均匀连续的11J。基于此建立了断裂力学的强度分析理论，首先分析含缺陷材料与构件的力学响应：如用线弹性断裂力学的应力强度因子K，或弹塑性断裂力学的J积分或裂纹张开位移6等；然后根据材料抵抗裂纹扩展的能力指标：如平面应变断裂韧性K。和临界J积分值J。或裂纹张开位移临界值6。；建立裂

2、纹扩展准则：I(k⋯⋯)

3、学的破坏分析常常包含着对裂纹萌生位置的人为假定，如各种裂纹模型假定。因此，所得的结论不可避免的带有经验性。另外，宏观裂纹是由微观裂纹聚合形成的，其扩展总是伴随着微裂纹的损伤。因此，裂纹尖端区域微裂纹区对材料力学性能的影响是不能忽视的。断裂力学对此问题的解决方法有：Hillerborg等人假定混凝土裂纹在原裂纹平面内扩展；Dan等人假定裂纹尖端混凝土破碎区将出现在原裂纹平面的一个薄层内；Rot等人则设定了一个一定厚度的混凝土破碎带。另外，在断裂力学理论中，裂纹被理想化为具有光滑表面的几何间断面，因而裂纹前

4、沿的应力场具有奇异性，其奇异的阶数与材料的本构关系有关。由上可以看出断裂力学在工程应用中的某些局限性。实际的材料或构件及结构是存在初始损伤的，从其开始变形直至破坏，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。应运而生的损伤力学恰是研究材料内部微观缺陷的产生和发展所引起的宏观力学响应及最终导致材料破坏的过程和规律的一门学科。它认为损伤基元的存在和发展演化，使实际的材料即非均质又非连续。因此人们必须摒弃古典的材料是均匀连续的假设。而事实上，微裂纹、微孑L洞就是几何的不连

5、续性，并且这种非均匀和不连续还随着变形过程在演化发展。损伤力学的基本特点就在于研究材料或构件从原生缺陷到宏观裂纹直至破坏的全过程，也就是通常所指的微裂纹的萌生、扩展或演变、体积元的破裂、宏观裂纹形成、裂纹的稳定扩展和失稳扩展的全过程，建立受损材料的本构关系，解释材料的破坏机理，建立损伤的演化方程，计算构件的损伤程度，从而达到对其工作性态评估的目的。在这种意义上可以说，损伤力学既联系和发源于古典的材料力学和断裂力学，又是它们的发展和补充。关于断裂力学和损伤力学的关系，曾有文献【2J表明：材料损伤发展演变的

6、过程往往占到构件总寿命的80％～90％；而宏观裂纹的形成、扩展、断裂所经历的时间，一般却只占到构件总寿命的10％～20％。它们都是研究材料不可逆的破坏过程的科学。另外，损伤力学又不同于断裂力学，其最终的目的是在工程结构分析中考虑损伤的影响，其中关键的问题是建立具体问题的损伤模型，从而确定损伤演变规律，对工程结构进行损伤分析。-1．2混凝土损伤力学研究现状及发展趋势结构中的破坏实例是很多的，如压力容器的破裂、吊桥的钢索断裂、天然气管道的破裂、混凝土大坝的开裂等。许多事故在事后的原因分析中都发现，破坏的根源

7、往往是结构中很早就存在微小的缺陷或其他形式的损伤。这些缺陷和损伤在结构的服役过程中不断扩展，使结构在局部范围内不断劣化直至发生断裂破坏。损伤力学是通过选择表征损伤的合适状态变量～损伤变量，而后利用试验的途径或者热力学与连续介质力学途径，确定含损伤变量的损伤演化方程和本构关系，并对上述方程做尽可能的简化。与连续介质力学的其他场方程一起，形成损伤力学的初边值问题和变分问题的数学提法，求解材料或者结构的应力应变场和损伤场，然后根据损伤的临界条件，来衡量材料或者结构的损伤程度和可以安全使用的界限，据此来动态地跟

8、踪描述损伤破坏的过程。1．2．1损伤力学的研究现状损伤力学作为一门学科分支的出现，是近二十多年的事情，是当前国际上固体力学中一个十分活跃的研究领域。它是材料与结构变形和破坏理论的重要组成部分。材料内部存在分布的缺陷，如位错、微裂纹、微孔洞等，这些缺陷统称为损伤【3J。材料损伤劣化的过程为不可逆的耗散过程。材料内部分布的缺陷在外载与环境因素的综合作用下不断地演化，最终导致材料的破坏。损伤力学是研究含损伤材料的力学性质，以及在变形过程中损伤的演