混凝土Ⅰ型裂缝的损伤断裂判据

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1、第22卷第3期岩石力学与工程学报22(3)：420～4242003年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2003*混凝土Ⅰ型裂缝的损伤断裂判据邓宗才(北京工业大学建筑工程学院北京100022)摘要把损伤理论引入混凝土的断裂分析中，推导出混凝土Ⅰ型裂缝在静、动荷载作用下裂缝端部损伤区长度的计算公式，给出了混凝土允许损伤尺度的定义、计算公式和新的损伤断裂判据，实现了损伤与断裂力学的有机结合。提出的损伤断裂判据与国内外一系列实验结果吻合良好。关键词断裂力学，损伤力学，混凝土，判据，Ⅰ型裂缝分类号T

2、U375文献标识码A文章编号1000-6915(2003)03-0420-05DAMAGEANDFRACTURECRITERIONFORMODEICRACKOFCONCRETEDengZongcai(SchoolofCivilEngineering，BeijingPolytechnicUniversity，Beijing100022China)AbstractDamagetheoryisusedtotheconcretefracturecriterion.Theboundaryequationsofdamagezoneunderstaticanddynam

3、icloadingareobtained.Thenewconcrete“damage-fracturecriterion”isdevelopedbythenewconceptofalloweddamagelength.Theexperimentalresultsandpredictiononesfromtheformulaofdamagelengthareingoodagreement.Keywordsfracturemechanics，damagemechanics，concrete，criterion，modeIcrack由于混凝土缝端损伤区的存在，使

4、得线弹性断裂力1引言学的理论不再适用，相关的断裂判据随之失效。因此如何分析混凝土的损伤与断裂机理，确定损伤区混凝土是一种非均质的多相材料，其内部含有的范围，并建立合理的断裂损伤判据是有待解决的许多天然微孔隙、微裂纹，这些原始缺陷在荷载作课题。笔者在文[9]中给出了混凝土Ⅰ+Ⅱ复合型裂用下不断演化发展，最终形成宏观裂缝，导致试件缝缝端损伤区的边界方程及损伤断裂判据，本文根破坏。损伤力学非常适合描述微裂纹的萌生与发展据损伤力学理论，推导出了Ⅰ型裂缝缝端损伤区长过程。断裂力学是研究宏观裂缝的稳定与失稳扩展度的计算公式，这对于研究混凝土宏观裂缝的亚临规律。如何把损

5、伤与断裂力学有机地结合起来，建界扩展及断裂韧度的尺寸效应都具有重要的意义。立完整的混凝土破坏理论是当前国际力学界的前沿课题，但这一方面的研究还不多。2裂缝端部损伤区的形成过程[1～8]许多研究证明，混凝土材料的断裂与金属[2]材料的弹塑性断裂特性不同，混凝土宏观裂缝的端大连理工大学通过激光散斑法发现，在散斑图部存在较大的微裂纹区，称为断裂过程区或损伤区。上出现一根由主裂缝端部向外延伸的微裂纹，如图12001年5月18日收到初稿，2001年8月10日收到修改稿。*国家自然科学基金(60172049)资助课题。作者邓宗才简介：男，40岁，博士，1984年毕业于

6、西安理工大学，现任副教授，主要从事纤维混凝土断裂与损伤、智能材料与结构的研究工作。第22卷第3期邓宗才.混凝土I型裂缝的损伤断裂判据•421•图1裂缝端部微裂纹的扩展过程Fig.1Theprocessofmicro-crackdevelopingatcracktip(a)～(c)所示。图中，P表示荷载值大小，图框周围式中：n，Ks为材料常数，由试验确定，其中，的数字表示微裂纹延伸长度。随着缝端应力的不断000σsεs⎛σs⎞增大，微裂纹的生成量增大，微裂纹间相互搭接，n=uu⎜⎜1−u⎟⎟(3)σsεs⎝E0εs⎠缝端逐步形成一布满微裂纹的损伤区。当遇见粗

7、骨0料时微裂纹扩展方向会发生偏转，如图1(d)～(g)所式中：εs为混凝土静力损伤阈值应变，它等于弹性－60示。当荷载接近最大荷载时，损伤区的微裂纹已经应变的最大值，单位取为10，即当εs≤εs时无损00uu得到了充分的发展，损伤区的范围达到了相对稳定伤；σs为与损伤阈值应变εs对应的应力值；σs，εs的状态，如图1(h)所示。随着微裂纹间的相互搭接分别为混凝土单轴应力-应变曲线的峰值应力和峰与贯通，使得宏观裂缝发生亚临界扩展。当荷载达值应变。式中各个量如图2所示，下脚标s表示静到最大值时，主裂缝的亚临界扩展已完成，主裂缝力情形。εθ为裂缝端部的环向拉应变

8、。快速向前扩展，也就是说主裂缝将发生失稳扩展，最终导致试件断裂破坏