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1、,目录,CONTENTS,第1页/共17页,PARTONE,第2页/共17页,断裂力学简介,3,第3页/共17页,断裂力学简介,4,第4页/共17页,PARTTWO,第5页/共17页,混凝土的断裂,6,混凝土是由粗集料、细集料、水泥（通常还有外加剂）等组成的性能十分复杂的材料，往往在凝结硬化过程中或以后的使用过程中出现裂缝。混凝土裂缝问题是工程界极为关注的问题。对混凝土结构，除了对强度、收缩、徐变、冻融、渗透性等提出要求之外，还迫切需要对混凝土裂缝产生原因，裂缝特性、裂缝的发展过程如失稳扩展、裂缝危险性的评估以及防止裂缝的对策等进行研究。,第6页/共17页,混凝土的断裂,7,混凝土是典型的非均
2、匀材料, 其中含有微裂纹, 甚至有宏观的缺陷如裂纹、夹碴、气泡、孔穴等。混凝土的强度、变形和破坏性能都与裂纹的扩展有关。对于混凝土内部结构的亚微观分析发现, 混凝土在承受载荷以前已存在裂纹, 这些裂纹大致可以分为两种类型: 1) 随机分布的微裂纹, 它在一定程度上控制着混凝土的抗拉和抗压等宏观强度; 2) 方向一定的宏观裂纹, 它有时使得混凝土的力学性质呈现各向异性。混凝土类材料的断裂过程受控于其中原有的微裂纹, 微裂纹一方面影响宏观裂纹的萌生过程, 另一方面对主裂纹产生屏蔽和劣化的双重作用。 混凝土的破坏是由于对象体系中潜在的各种缺陷引起的, 其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通, 直
3、到产生宏观裂纹, 导致混凝土失稳破裂的过程。,混凝土中的裂纹,第7页/共17页,混凝土的断裂,8,对混凝土断裂的研究,对混凝土的断裂，可以从不同层次来研究。1，宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一特征体积，经验的特征体积相应于34倍的最大骨料体积，当大于这种特征体积时，材料假定是均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将十分明显，宏观层次断裂按均质体断裂力学，唯象的作封端微裂隙区（断裂过程区）假定进行分析。2，细观层次：在细观层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和它们间的过渡区（粘结带）组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展直接影响混凝土的宏观力学性能，该层次的模型一般是毫米或厘
4、米量级。3，微观层次：该层次认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔隙所产生，孔隙的尺寸大致为丝米量级，由于砂浆中孔隙很小而且量多、随机分布，水泥砂浆力学性能可近似看做细观均质损伤体，同配合比、同条件的砂浆试件，通常其力学性能也比较稳定，可由试验直接测定。4，纳观层次：纳观层次认为水泥砂浆本身也是一种随机的复合材料，其组分是未水化的熟料颗粒、水化硅酸钙，氢氧化钙晶体，毛细孔，和其他化学成分，该层次毛细孔的尺寸是微米或亚微米量级,第8页/共17页,PARTTHREE,第9页/共17页,混凝土断裂模型,10,第10页/共17页,混凝土断裂模型,11,如图,当P0.5Pmax时,P一CMOD曲线基本上处于线
5、性阶段,此时 K10.5Ksic；当P0.5Pmax时,混凝土带有明显的非线性,此时为非线性扩展阶段,如图(b);当KjKsic,裂缝尖端位移也到达临界点。考虑试件的加载方式和几何尺寸的不同,进一步的裂缝扩展可以在稳定的状态值K下产生。,素混凝土抵抗断裂过程的荷载裂缝口位移曲线,双参数断裂模型,第11页/共17页,混凝土断裂模型,12,虚拟裂缝模型,基本思路是将混凝土断裂看成是混凝土中的微裂纹不断累积、扩大的结果,混凝土在裂纹失稳断裂前存在大量的微裂纹区,如下图.此微裂区经试验表明是一条带状区域,它的出现削弱了混凝土裂缝前端传递应力的能力,此时材料出现软化.材料出软化后其传递应力能力的降低程度
6、与微裂区的变形有关.微裂区的变形越大,传递应力的能力就越低;当变形达到一定程度时,传递的应力变为零,此时微裂纹转化为宏观裂纹虚拟裂缝模型常结合有限元法使用,此模型所需要的参数包括断裂能极限抗拉强度和混凝土软化曲线等.,虚拟裂缝模型的微裂区,第12页/共17页,混凝土断裂模型,13,双K断裂模型,我国学者徐世烺，赵国番教授结合大量实验研究提出判断混凝土开裂的双K断裂准则,其墓本思想是:混凝土从开始断裂到最终失稳断裂中间存在一个过程,即一个断裂扩展区。当KI KiniIC时,无裂缝扩展;当KI=KiniIC时,裂缝开始稳定扩展;当KiniICKIKunIC时,裂缝稳 定扩展;当KI=Kun IC时
7、,裂缝开始失稳。当KIKunIC时,裂缝失稳断裂。其中，KI为应力强度因子,KiniIC为起裂韧度,KunIC为失稳韧度.KiniIC和KunIC称为双K断裂参数。,双参数模型的优点是能够得出临界断裂判据的双参数的解析解,缺点是没有考虑到混凝土的断裂是一个从开始开裂到最终失稳是一个过程,即没有考虑到断裂过程中,断裂扩展区对最终的临界失稳的影响。虚拟裂缝模型的优点是将混凝土断裂当成一个过程来看,从混凝土出现微裂区到最终的失稳断裂.即考虑了断裂扩展区对最终的失稳断裂的影响,缺点是只能结合数值方法求解,未能得到解析解。双K断裂模型相比双参数模型的优点是不仅能计算出混凝土失稳断点,还能预测混凝土的起始
8、断裂。,第13页/共17页,PARTFOUR,第14页/共17页,混凝土断裂展望,15,混凝土断裂力学发展至今,其理论还不够完善,试验观测手段也有所欠缺。现有相关成果难以描述混凝土内部结构断裂的极端复杂性,从而使得混凝土断裂力学很难实用化。可以肯定的是,混凝土断裂力学的研究可以使人们更清楚地认识混凝土断裂过程的发生机制,为改善混凝土的力学性能和研制高性能混凝土提供力学依据。就其发展应用前景而言,主要有以下几个方面: (1)分析大体积混凝土中严重裂缝的稳定性,确定其危害性,判断工程加固的必要性和加固效果。由于缝端微裂缝区和稳定扩展长度相对于缝长和结构尺寸来说是很小的,可采用混凝土线弹性断裂力学。
9、 (2)研究梁、板、壳等有限尺寸建筑构件中严重裂缝的稳定性。目的同样是探讨加固的必要性和处理方法。由于相对构件尺寸来说,缝端微裂缝区和稳定扩展长度的尺寸很大,应当采用混凝土非线性断裂力学。 (3)采用以虚拟裂缝模型和钝裂缝带模型为基础的混凝土非线性断裂力学完善混凝土和钢筋混凝土拉应力区应力分析方法。(4)应用混凝土断裂力学分析带裂缝坝体以及类似结构的安全度,改进重力坝稳定分析方法和浇筑块设计方法,分析并缝钢筋的止裂作用等。 (5)研究用抗拉强度ft、混凝土断裂能GF和拉应变软化曲线作为混凝土的抗裂指标的合理性。,第15页/共17页,THANKS,第16页/共17页,17,感谢观看！,第17页/共17页,
