混凝土断裂损伤力学
混凝土断裂力学
混凝土断裂力学
混凝土断裂力学是研究混凝土在受外力作用下断裂行为的力学学科。
混凝土作为一种脆性材料，在受到外力作用时容易发生断裂。
混凝土断裂力学的研究旨在通过理论和实验方法，深入了解和描述混凝土断裂的机制、特征和规律，以便能够预测混凝土的断裂强度和断裂形态。
混凝土断裂力学涉及几个重要的概念和参数，包括：
1. 应力-应变曲线：通过施加不同的应力对混凝土进行拉伸或
压缩试验，得到的应力-应变曲线可以描述混凝土的力学性能，包括线性弹性阶段、塑性阶段和断裂阶段。
2. 断裂韧性：是混凝土在断裂前能够吸收的能量，可以通过计算应力-应变曲线下的面积来表示。
断裂韧性越大，表示混凝
土具有更好的抗断裂能力。
3. 断裂骨架：混凝土内部的骨架结构在断裂过程中起到重要作用。
混凝土断裂力学研究骨架的变形和破坏机制，以及不同因素对骨架的影响。
4. 断裂模型：为了描述混凝土断裂的过程和行为，研究者提出了各种断裂模型，如弹塑性模型、本构模型和损伤模型等。
这些模型可以用来预测混凝土的断裂形态和强度。
混凝土断裂力学的研究对于工程结构设计和材料性能评估具有重要意义。
通过深入了解混凝土断裂的机制和规律，可以提高
工程结构的安全性和可靠性，为混凝土材料的发展和改进提供科学依据。
断裂与损伤力学的发展及应用
断裂与损伤力学的发展及应用断裂力学是固体力学的新分支，断裂力学作为一门真正的学科，还只是近十几年的事。
但它发展异常快速，是目前固体力学中最活跃的一个分支，在许多工程技术部门都产生了重大的影响，体现了它巨大的生命力量，已经被广泛地用来解决各种工程实际问题。
在国内外都有不少应用断裂与损伤力学解决工程成功的案例。
随着科技的发展，我们逐渐的把断裂与损伤力学应用到了混凝土的领域，并也取得了一定的成就。
由于断裂力学还是新兴学科，历史还比较短，在实践方面还有很多经验不足。
标签：断裂与损伤力学；基本理论；断裂准则断裂与损伤力学作为一门真正的学科，还只是近十几年的事。
在最近的几十年里，在第二次世界大战之后，随着设备和结构的大型化、设计应力的提高、高强度和超高强度材料的使用、焊接工艺的普遍采用以及设备与结构使用条件的严酷化（温度、介质、原子辐照、栽荷变动等），常规强度理论发生不合理的情况日益变多。
按原来的理论思想设计的设备或结构，会在短期内发生灾难性的破坏。
断裂力学应用力学起步于结构和材料，由于断裂与损伤力学与结构和材料直接相关，虽然历史很短，但已经解决了不少的工程实际问题。
损伤力学只是固体力学的一个分支学科，是遇到实际工程意义而产生的。
它经历了从无到有的过程，是一个非常热门的学科。
1、断裂力学和损伤力学的应用1.1 岩石断裂与损伤力学岩石破坏类型可以分为纵向破坏、剪切破坏、拉伸破坏。
纵向破坏主要是在极限抗压情况下，产生与轴向一致的裂缝，与受力方向一致。
在围压和轴压的共同作用下会出现剪切变形，裂缝与主应力方向呈现一定的夹角就是剪切变形。
这种破坏类型大都出现在地表断层和地震受损的房层中。
拉伸破壞是在轴对称中心受拉所产生的破坏，破坏面有很明显的分离，破坏面与破坏面之间有较大的错层。
岩石断裂力学是研究岩石介质的不均匀性对结构的破坏程度的大小，因此它要面临受压、受拉等多种不同情况。
在实验过程中，闭合裂纹大都是受压过程产生的，闭合裂纹有以下特征：1）剪切破坏，是因为两个裂纹面之间只产滑移。
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》篇一一、引言混凝土作为建筑结构的主要材料，其力学性能的研究对于保障建筑安全具有重要意义。
混凝土损伤力学行为的研究是该领域的重要方向之一，而基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究更是当前研究的热点。
本文旨在通过对混凝土三维细观模型的研究，深入探讨混凝土损伤力学行为的特性及机理。
二、混凝土三维细观模型构建混凝土是由骨料、砂浆和孔隙等组成的多相复合材料。
为了更好地研究混凝土损伤力学行为，需要构建出真实反映混凝土细观结构的三维模型。
本文采用数字图像处理技术和计算机视觉技术，对混凝土试件进行微观结构分析，并构建出三维细观模型。
在模型构建过程中，需要考虑骨料的形状、大小、分布以及砂浆和孔隙的分布等因素。
同时，为了更准确地模拟混凝土的损伤过程，还需要在模型中引入裂缝、孔洞等缺陷。
三、混凝土损伤力学行为研究基于构建的三维细观模型，本文对混凝土的损伤力学行为进行了深入研究。
首先，通过对比不同加载条件下的混凝土试件，分析了混凝土在受力过程中的损伤演化规律。
其次，结合数值模拟方法，对混凝土在拉伸、压缩等不同应力状态下的损伤行为进行了模拟分析。
在研究过程中，我们发现混凝土的损伤过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
例如，骨料的形状和分布、砂浆的强度和韧性、孔隙的分布和大小等因素都会对混凝土的损伤行为产生影响。
此外，混凝土的损伤还与加载速率、温度等因素有关。
四、混凝土损伤机理分析通过对混凝土损伤力学行为的研究，我们发现混凝土的损伤机理主要包括以下几个方面：1. 骨料与砂浆之间的界面破坏：由于骨料和砂浆之间的粘结强度较低，当混凝土受到外力作用时，界面处容易发生破坏，导致裂缝的产生和扩展。
2. 孔隙和缺陷的扩展：混凝土中的孔隙和缺陷在受力过程中会逐渐扩展，形成较大的裂缝，导致混凝土的强度和韧性降低。
3. 材料的非均匀性：由于骨料的形状、大小和分布等因素的影响，混凝土的材料性质具有非均匀性。
混凝土损伤识别的原理与方法
混凝土损伤识别的原理与方法混凝土损伤识别是指对混凝土构件的损伤状态进行判定和诊断的过程。
混凝土结构的损伤主要包括裂缝、腐蚀、剥落、变形等多种形式，这些损伤会影响混凝土结构的力学性能和耐久性能，进而影响结构的安全性和使用寿命。
因此，混凝土损伤识别具有重要的理论意义和实际应用价值。
一、混凝土损伤识别的原理混凝土损伤识别的原理主要涉及以下几个方面：1. 混凝土的力学性能混凝土是一种复合材料，其力学性能受到多种因素的影响，如材料成分、配合比、加工工艺等。
混凝土的力学性能主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等指标。
这些指标可以通过实验室或现场测试进行测定，用于评估混凝土的力学性能和损伤程度。
2. 损伤的形态和特征混凝土损伤的形态和特征是识别损伤的重要依据。
不同形态的损伤通常具有不同的特征，如裂缝的数量、长度、宽度、分布情况等。
通过对损伤形态和特征的观察和分析，可以初步判断混凝土结构的损伤状况。
3. 损伤的机理和发展规律混凝土损伤的机理和发展规律也是识别损伤的重要依据。
不同类型的损伤通常由不同的机理引起，如裂缝的发生可能是由于混凝土的收缩、膨胀、变形、温度变化等原因引起的。
通过了解不同类型损伤的机理和发展规律，可以更准确地把握混凝土结构的损伤程度和发展趋势。
4. 检测方法和技术混凝土损伤识别的核心是检测方法和技术。
目前常用的混凝土损伤检测方法包括视觉检测、声学检测、电学检测、磁学检测、红外检测等。
这些检测方法可以在不破坏混凝土结构的情况下，通过观察和测量混凝土结构的表面形态、声音、电磁场等信息，来判断混凝土结构的损伤状况。
二、混凝土损伤识别的方法混凝土损伤识别的方法主要包括以下几个方面：1. 视觉检测法视觉检测法是最简单、最常用的损伤识别方法。
通过肉眼直接观察混凝土表面的裂缝、剥落、腐蚀等损伤形态和特征，可以初步判断混凝土结构的损伤情况。
视觉检测法的优点是简单易行、成本低廉，但其缺点是受到人为因素和环境因素的干扰较大，识别效果不稳定。
混凝土损伤本构原理
混凝土损伤本构原理一、引言混凝土是一种广泛应用于建筑工程和基础设施建设的材料，其力学行为的研究对于保证工程结构的安全和可靠具有重要意义。
混凝土材料在使用过程中不可避免地会受到各种外力的作用，从而导致不同程度的损伤。
因此，混凝土损伤本构原理的研究对于深入了解混凝土的力学特性和损伤行为具有重要意义。
二、混凝土的损伤机理混凝土的损伤机理包括两种类型的损伤：微观损伤和宏观损伤。
微观损伤是指混凝土内部的裂缝、毛细孔等缺陷，这些缺陷会导致混凝土的力学性能下降。
宏观损伤是指混凝土整体受到外力作用后出现的裂缝、断裂等破坏形态，这些破坏形态会导致结构的破坏。
混凝土的微观损伤主要包括以下几个方面：1.混凝土的毛细孔是混凝土内部的缺陷之一，其形成与水泥水化反应过程中的蒸发和水泥颗粒内部的饱和度有关。
毛细孔的存在会影响混凝土的力学性能，如弹性模量、抗压强度等。
2.混凝土中的微裂缝是混凝土内部的另一个缺陷，其形成与混凝土的物理性质有关。
微裂缝的存在会降低混凝土的抗拉强度和韧性。
3.混凝土在受到外力作用时，可能会出现局部压缩和剪切变形，这种变形会导致混凝土内部的微裂缝扩展，进而形成新的微裂缝，最终导致混凝土的破坏。
混凝土的宏观损伤主要包括以下几个方面：1.混凝土受到外力作用时，可能会出现局部裂缝，这些裂缝会随着外力作用的增加而扩展，最终导致混凝土的破坏。
2.混凝土的内部缺陷会导致混凝土的力学性能下降，从而降低其抗力水平，当受到超过其承受力的外力作用时，混凝土会发生宏观破坏。
三、混凝土的损伤本构原理损伤本构理论是描述材料本构关系的一种理论模型，混凝土的损伤本构原理是基于混凝土的损伤机理建立的。
1.混凝土的弹性本构关系混凝土的弹性本构关系可以用胡克定律描述，即应力与应变之间的关系是线性的，其中弹性模量是一个固定的常数。
当混凝土受到外力作用时，其应变与应力的关系可以用以下公式表示：σ=Eε其中，σ是混凝土的应力，E是混凝土的弹性模量，ε是混凝土的应变。
混凝土随机损伤力学
3.5
3.5
30
Karsan and Jirsa (1969)
Model result
25
Stress(MPa)
Stress(MPa) Stress(MPa)
3.0
3.0
20
2.5
2.5
2.0
2.0
1.5
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0
-1.4
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
ID:C0 :(εp)
建模基本过程（4）
由材料的弹塑性Helmholtz自由能势得到损伤能释放率表 达式，基于损伤能释放率，建立材料的损伤准则和损伤变量的 演化法则.
损伤能 释放率
Yt
t dt
te0(εe)
Y s d s ss0(εe,q )s e 0(εe)s p 0(q )
损伤准则 与演化法则
5
x 10 5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-0.04 -0.03 -0.02 -0.01
0
0.01 0.02 0.03 0.04
Inter-floor Displacement (m)
损伤机制、受力形式与结构滞回耗能机制的关系？
3)损伤扩散与多尺度随机涨落
静力作用下的损伤
动力作用下的损伤
研究在不同尺度上的损伤扩散、转移、随机涨落及其跨尺度影
-1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4
强度 准则
2
混凝土结构的断裂力学研究
混凝土结构的断裂力学研究一、引言混凝土结构是建筑领域中常见的结构形式之一，因其具有优异的耐久性、施工方便、成本低廉等优点而得到广泛应用。
然而，在长期使用过程中，混凝土结构可能会出现各种各样的损伤，其中最为严重的就是断裂。
因此，混凝土结构的断裂力学研究变得越来越重要。
二、混凝土的断裂机理混凝土是一种复杂的多相材料，在外载荷的作用下，可能会发生微裂纹、裂纹扩展等断裂行为。
混凝土的断裂机理主要包括以下几个方面：1.拉伸断裂混凝土的拉伸强度较低，一般只有其压缩强度的1/10左右。
在拉伸载荷的作用下，混凝土中的微裂纹逐渐扩展，最终导致混凝土的断裂。
2.剪切断裂混凝土的剪切强度较低，一般只有其抗压强度的1/2左右。
在剪切载荷的作用下，混凝土中的微裂纹也会逐渐扩展，最终导致混凝土的断裂。
3.压缩断裂混凝土的压缩强度较高，一般可以达到其抗拉强度的5倍左右。
但在高强度载荷的作用下，混凝土也可能会出现压缩断裂。
三、混凝土断裂力学的研究方法混凝土的断裂行为是一个复杂的过程，需要采用多种方法进行研究。
目前，主要的研究方法包括实验研究、数值模拟和理论分析。
1.实验研究实验研究是混凝土断裂力学研究的基础，通过对混凝土试件进行拉伸、剪切、压缩等载荷实验，可以获取混凝土的应力-应变关系、断裂强度等参数。
同时，还可以观察混凝土断裂过程中的微观变化，揭示混凝土断裂机理。
2.数值模拟数值模拟是一种重要的混凝土断裂力学研究方法，通过建立混凝土的数学模型，采用有限元方法等数值分析技术，模拟混凝土在外载荷下的力学行为和断裂过程。
数值模拟可以提供混凝土断裂行为的定量预测和深入的理解。
3.理论分析理论分析是混凝土断裂力学研究的另一种方法，通过建立混凝土的力学模型，利用应力分析、损伤力学等理论分析方法，揭示混凝土在外载荷下的力学行为和断裂机理。
理论分析可以提供混凝土断裂行为的深入理解和洞察力。
四、混凝土断裂力学的研究进展混凝土的断裂力学研究已经进行了多年，取得了不少进展。
混凝土损伤本构曲线
混凝土损伤本构曲线
混凝土损伤本构曲线描述了混凝土在受力过程中的损伤行为。
混凝土是一种复杂的材料，其力学行为包括弹性、屈服、损伤和破坏等阶段。
在弹性阶段，混凝土遵循胡克定律，即应力与应变成正比。
在超过一定应力水平后，混凝土进入了屈服阶段，此时会出现塑性变形。
在损伤阶段，混凝土受到持续的应力作用会发生损伤，这表现为应力-应变曲线的非线性行为。
损伤表征了混凝土内部的裂
纹扩展和毁坏。
混凝土的损伤行为主要受到拉应力、压应力和剪应力的影响。
混凝土损伤本构曲线通常由两个阶段组成：一是弹性-塑性阶段，二是损伤-破坏阶段。
在弹性-塑性阶段，应力-应变曲线呈现线性增长，但随着应力的超过弹性极限，混凝土会出现塑性变形。
在损伤-破坏阶段，应力-应变曲线不再呈现线性关系，
而是出现了应力-应变曲线的非线性增长。
混凝土损伤本构曲线的形状和具体参数可以根据具体的试验数据和材料特性来确定。
常用的损伤本构模型包括线性损伤模型、非线性损伤模型和损伤塑性模型等。
这些模型可以用来描述混凝土在受力过程中的损伤行为，并为工程设计和分析提供依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
混凝土断裂损伤力学
随着经济水平的不断提高，土木水利工程建设在世界范围内取得了迅猛发展。
混凝土作为土木水利工程中最重要的建筑材料之一，其损伤断裂特性对工程安全起着关键作用。
如何准确把握混凝土的破坏机理，确定合理的混凝土断裂参数，对评价混凝土结构的稳定性和安全性具有重大意义。
混凝土是由水泥、砂子、石子等经化学反应生成的多相复合材料，它自身的非均匀性以及复杂的内部结构，使得混凝土的断裂破坏机理也非常复杂，如何合理研究其由损伤、断裂到失稳破坏的复杂过程，一直是研究者极为关心的课题。
混凝土的破坏过程和机理
混凝土是以骨料为填料、以硬化水泥浆为母体组成的复合材料。
因此，骨料和硬化水泥浆以及它们结合面的力学特性必然会影响混凝土的力学性能。
现代化测试技术和计算技术为我们观察和研究混凝土材料的破坏机理提供了方便。
虽然不同的学者由于所采用的观测方法与试验仪器的灵敏度、精度等不同，导致裂缝扩展过程中相应于不同阶段的应力水平并不完全一致，但是所得的结论都证实：未加荷载之前，混凝土中已经有微裂缝存在；在荷载作用下，混凝土的破坏实质上就是裂缝的产生、稳定扩展与不稳定扩展的过程，即裂缝的扩展经历了裂缝起裂、裂缝稳定扩展与裂缝失稳扩
展三个阶段；而且混凝土破坏过程中并非单一裂缝在扩展，另外还有众多的次裂缝。
应力-应变关系是混凝土在外力作用下变形及破坏现象的外部表现。
在单轴压缩应力状态下，砂浆、骨料以及混凝土典型的应力-应变曲线如图1所示。
图1 单轴压缩时的应力-应变曲线比较由图可知，对骨料而言，在达到破坏荷载前，其应力-应变曲线基本上是线性的。
砂浆而言，直到破坏荷载的90%~95%之前，其应力-应变曲线也基本上是线性的。
但是，混凝土的应力-应变曲线则有明显的不同，在荷载达到抗压极限强度的30%~40%之前，应力-应变曲线接近直线；应力超过该点之后，应力-应变曲线的曲率逐渐增加，当应力达到抗压极限强度的70%~90%时，曲线明显弯曲；应力达到抗压极限强度后，应力-应变曲线达到峰点，可见，混凝土应力-应变曲线形状的变化与其内部裂缝的扩展有着密切的关系。
因此，以裂缝的扩展过程为标准，混凝土的破坏过程可分为下面三个阶段。
第一阶段
准弹性阶段。
在30%~40%的极限抗压强度以内，该阶段应力-应变曲线基本呈直线，在施加荷载之前已有的微裂缝处于稳定状态，几乎没有扩展的趋势。
除了已存在的裂缝之外，在试件内的某些孤立点上会产生应力集中，使得在应力集中的微小局部区域内也可能引发一些附加裂缝，它们也将保持
稳定，并且这些裂缝的形成有助于缓和应力集中，并重新恢复到平衡状态；然而，微裂缝的出现必然会产生不可恢复的变形，这可能是在低应力下应力-应变曲线并不完全呈线性的原因，但这种不可恢复的变形量很小。
第二阶段
稳定扩展阶段。
随着荷载的增加，这些微裂缝不断产生或闭合；骨料与砂浆结合面上的作用力为压-剪复合应力，且砂浆与骨料沿开裂面开始滑动，裂缝向砂浆中扩展。
此时，众多的微裂缝开始缓慢、稳定地扩展，并逐渐延展到基体中，随着基体的开裂，原先孤立的微裂缝开始逐渐贯通，发展成一个更为广泛和连续的裂缝体系。
若停止加载，裂缝扩展也将中断。
在这个阶段，由于不可恢复的变形明显增加，应力-应变关系曲线逐渐偏离直线，且其曲率也越来越大。
第三阶段
临界应力或不稳定扩展阶段。
如果将应力维持在极限抗压强度的70%~90%，已贯通的裂缝体系将持续扩展，裂缝扩展也进入不稳定扩展阶段。
此后，应力-应变关系曲线明显弯曲，基体中的裂缝扩展变得更加迅速。
由于这些裂缝的延伸，裂缝体系终于变得不稳定，即混凝土发生失稳破坏。
整个应力-应变关系曲线的变化说明了裂缝的产生、扩展与失稳过程，而裂缝的发展阶段也解释了应力-应变关系曲线呈现非线性的原因。
图2 单轴拉伸时的应力-应变曲线比较
混凝土单轴拉伸应力状态下的应力-应变关系曲线如图2所示。
可以看出，图1与图2非常相似，但是两者也有一些不同之处，值得说明。
图2单轴拉伸时的应力-应变曲线比较当应力低于极限抗拉强度的60%时，单轴拉伸应力状态下的应力-应变关系曲线几乎呈线性，且在这一应力水平之前，新生微裂缝的作用可以忽略不计。
因此，这一应力将对应于弹性极限。
超过该应力水平后，初始微裂缝开始扩展，且在单轴拉伸应力状态下抑制裂缝扩展的趋势比单轴压缩应力状态
下要小得多，因此，拉伸应力状态下裂缝的稳定扩展阶段相对较短。
此外，在拉伸应力状态下，裂缝的扩展方向大致垂直于应力的方向，因而任何新裂缝的产生与扩展都将减少有效承载面积。
所以，在拉伸应力状态下，混凝土的破坏不是由众多裂缝引起，而是由少数几条裂缝所致。
同时，由于裂缝扩展迅速，在试验中要得到应力-应变关系曲线的下降段也更加困难。
随着研究工作的不断深入，学者舍弃或修正了经典断裂力学中不符合混凝土特性的一些假定、理论和试验方法，并不断提出了能反映混凝土特性的新假定、新理论与新试验方法，从而逐渐形成了混凝土断裂力学。
混凝土断裂力学的早期研究大都以线弹性断裂力学为基础，即认为构件在断裂前基本处于线弹性范围内，把混凝土视为带有裂缝的线弹性体，分
析裂缝稳定性的方法主要有应力强度因子法与能量法。
然而，大量试验研究表明，当混凝土构件受荷载后，主裂缝附近和前端将出现分支以及微裂区，使整个体系呈现出一定程度的非线性特征。
因此，将线弹性断裂力学直接应用于混凝土结构断裂分析，就会忽略主裂缝失稳断裂前的缓慢扩展（亚临界扩展）和微裂区的影响，将导致所测得的断裂韧度具有明显的尺寸效应。
后来，众多学者基于混凝土的亚临界扩展特性，提出了多种非线性断裂模型，如虚拟裂缝模型（fictitious crack model，FCM）、钝裂缝带模型（crack band model，CBM）、尺寸效应模型（size effect model，SEM）、双参数模型（two parameter fracture model，TPFM）、双K断裂模型（double-K fracture model，DKFM）等。
这些非线性模型的提出和确定对分析混凝土结构裂缝的稳定性，确定其危害性，判断工程加固的必要性以及加固效果，改进土木水利工程稳定分析方法、设计方法等具有重要作用。
目录前言第1章绪论第2章混凝土断裂损伤基础
第3章混凝土静、动力损伤本构理论
第4章混凝土静、动力断裂损伤模型
第5章基于峰值荷载的混凝土起裂断裂韧度的研究
第6章混凝土结构裂缝尖端变形测量
第7章大坝混凝土断裂参数试验研究与分析
第8章纤维对混凝土裂缝的抑制作用及机理分析第9章大体积混凝土结构断裂损伤数值模拟方法及工程应用参考文献本文摘编自李庆斌著《混凝土断裂损伤力学》文前及第一章，内容有删减。
混凝土断裂损伤力学李庆斌著责任编辑：刘宝莉北京：科学出版社2017.09ISBN 978-7-03-054645-6《混凝土断裂损伤力学》介绍了当前国内外在混凝土断裂损伤力学方面的最新成就，总结了著者多年来在混凝土断裂损伤理论、开裂判据、分析方法、工程应用等方面的研究成果，主要包括：混凝土断裂损伤本构关系与裂缝稳定性判据，混凝土断裂参数解析计算模型，裂缝前缘应变分布状况，全级配大坝混凝土断裂参数变化规律及纤维对混凝土裂缝的抑制作用机理，混凝土结构裂缝分析在实际工程中的应用。
（本期编辑：安静）。