断裂力学在混凝土结构中的应用

研 究 生 试 卷

2012 年—2013年度第 2 学期

评 分：________________________

课 程 名 称： 断裂与损伤力学

专 业： 建筑与土木工程

年 级：任课教师姓名：研 究 生 姓 名： 郭延飞

学 号： 2120970010

注 意 事 项

1. 答题必须写清题号；

2. 字迹要清楚，保持卷面清洁；

3. 试题随试卷交回；

4. 考题课俺百分制评分，考查课可按五级分制评分；

5. 阅完卷后，授课教师一周内讲成绩在网上登记并打印签名后，送研究生部备案；

6. 试题、试卷请授课教师保留三年被查。

断裂力学在混凝土结构中的应用

郭延飞

（建筑与土木工程专业12级5班 2120970010）

[摘要]断裂力学是在实践的基础上发展起来研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹规律的一门新兴力学学科。本文通过对断裂力学的论述讲解了其在混凝土结构中的应用，以及“阻”、“放”、“抗”裂纹控制思想所取得的成果。

[关键词]断裂力学 裂纹控制 混凝土结构

1 断裂力学简介

断裂力学是在实践的基础上发展起来的研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹扩展规律的一门新兴力学学科。它能从新的角度进行深层次分析、描述破坏过程及评价损伤状况，运用连续体力学的原理，来研究带有缺陷的均质连续材料制成工程结构构件的强度与断裂条件，建立一套适用于这类构件的理论分析与实验研究的原理与方法，以确保其安全服役。断裂力学的应用可带来土木工程的革新，丰富现有的结构设计理论。

与传统的设计思想不同，断裂力学承认构件或材料不可避免地存在的缺陷和裂纹，并以含有裂纹或缺陷的材料和结构为研究对象，研究含缺陷或者裂纹材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的稳定、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。它与常规强度理论的差别是：

（1）研究对象不同。常规理论研究的对象是不含裂纹的物体，断裂力学则把存在裂纹或者缺陷的物体作为研究对象，为此，断裂力学也称之为裂纹（体）力学。

（2）研究中运用的判据不同。传统强度理论判据结构是否破坏是基于结构中的应力是否超过相应材料的允许应力。但断裂力学理论认为，一旦结构出现裂纹，则裂纹尖端将出现巨大的应力集中，即出现应力的奇异性，带裂纹结构的强度将远远低于相应无裂纹结构的强度。裂纹的扩展受裂纹尖端应力强度因子的控制，一旦应力强度因子K 超过其临界值Kc ，裂纹将扩展而导致结构的破坏。

线弹性断裂力学的研究对象是带有裂纹的线弹性体，其基础是线弹性理论，目前用于线弹性断裂力学研究的有能量理论和应力强度因子理论；弹塑性理论断裂力学是分析在裂纹端部已有很大塑性区的大范围屈服断裂问题和全面屈服断裂问题。

2 断裂力学在混凝土结构中的应用

钢筋混凝土结构是由混凝土为主体，配设不同形式的抗拉钢筋所构成的组合材料，二者的性能互补，成为迄今结构工程中应用最成功、最广泛的复合材料结构。而其主体材料—混凝土，是一种天生存在诸多缺陷的结构材料，在搅拌和浇注过程中混入的少量空气，经振捣后仍有部分残留在砂浆内部，在混凝土的凝固过程中，由于水分蒸发和水泥砂浆干缩变形等原因，使粗骨料和砂浆界面以及砂浆的内部形成不规则的细长缝隙，此外，还有一些施工和环境因素引起混凝土的非均质性和不等向性。因此，混凝土结构在承受荷载或外应力之前，内部已经存在少量分散的微裂缝或缺陷，混凝土受力之后直到破坏，都是这些裂缝或缺陷的发展、汇集、失稳扩展的过程。

断裂力学认为：混凝土结构能否继续或者更安全的使用最为重要的是确定结构中的微观裂纹和宏观裂纹是否将继续扩展并导致破坏。这种扩展可以缓慢而稳定并且仅在荷载增加时存在，或者，裂纹扩展到一定程度突然变为不稳定扩展或者停止扩展达到稳定状态。断裂力

学理论从宏观上研究裂纹扩展，并从结构响应中试图建立起一些参数来衡量已经存在的裂纹是否会扩展以及将会以什么样的速度扩展。

3 “阻”，“放” “抗”裂纹控制思想

断裂力学在土木工程中的应用是有很广阔的前景的。自2002年开始，通过对三种裂纹控制思想以及基于三种裂纹控制思想的钢筋混凝土新结构进行了大量深入的研究，共进行了百余片新结构实验梁的实验研究，主要成果有：

(1)基于断裂力学原理，提出了阻裂增强层材料的三条阻裂增强机理。

(2)提出了钢筋混凝土结构“放”、“阻„ 抗”三种裂纹控制方法。

(3)提出了基于“阻 的裂纹控制思想的，含阻裂增强层的复合钢筋混凝土新结构(仅粘贴阻裂增强层，不进行预裂处理) 。

(4)通过循环加载实验，发现了钢筋混凝土结构刚度变化的重要规律。

(5)基于裂纹控制“放”的思想，提出了不采用预应力工艺的“放”、“阻”结合的超大跨径含阻裂增强层的预裂钢筋混凝土新结构。

(6)提出了“放”、“阻”、“抗”三种裂纹控制思想相结合的、力学性能可与传统预应力混凝土媲美的预裂预应力钢筋混凝土新结构，为钢筋混凝土结构向轻型、大跨发展提供了新的思路和方法。

(7)首次进行了40m 超大跨径无预应力钢筋混凝土梁的实验研究，在无预应力、超大跨径钢筋混凝土梁的研究方面取得可喜突破。

4 高强钢筋混凝土的裂纹发展规律

(1)基于断裂力学原理的钢筋的阻裂增强机理，主要表现在钢筋为裂纹提供了一对闭合力，减小了裂纹尖端的应力强度因子，钢筋混凝土结构较索混凝土结构能很好地控制裂纹的扩展，有效地降低了应力强度因子，并且改变了应力强度因子的变化方向，将混凝土拉应力控制的破坏转变成为混凝土压应力控制的破坏。

(2)在荷载和裂纹高度不变的情况下，钢筋混凝土梁中钢筋和混凝土界面剥离长度的变化在一定范围内对应力强度因子和钢筋闭合力有影响，当剥离长度发展至一定值时其变化对应力强度因子和钢筋闭合力的影响不大。

(3)荷载不变的情况下，随着裂纹高度的增加，裂纹尖端应力强度因子经过了较小的增长之后开始下降，当裂纹高度达到0．75倍左右梁高时，裂纹尖端的应力强度因子趋于零。

(4)加载过程中高强钢筋混凝土构件总体上仍符合适筋梁受弯破坏的典型的三个阶段。

(5)高强钢筋混凝土结构和普通钢筋混凝土结构有基本相同的裂纹发展的四个阶段，即：开裂阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段、裂纹失稳扩展阶段。

(6)高强钢筋混凝土结构裂纹稳定荷载仅有极限荷载的2O ％左右，而普通钢筋混凝土结构的裂纹稳定荷载已经达到极限荷载的7O ％多，高强钢筋混凝土梁从止裂到梁的破坏经历了很长的过程。

参考文献

[1]洪起超．工程断裂力学基础．上海交通大学出版社，1996．

[2]周志祥．高等钢筋混凝土结构．人民交通出版社，2002．

[3]赵国藩．高等钢筋混凝土结构．中国建筑工业出版社，2002．

[4]王铁梦．工程结构裂缝控制．中国建筑工业出版社．1997．