1、斷裂損傷力學在土木工程中的應用摘要：通過對斷裂力學形成過程和形成原因, 來源于生產實踐, 又指導生產實踐的辯證關系等進行分析, 說明科學技術進步與社會生產實踐相輔相成的辯證關系, 闡述斷裂力學的發(fā)展與工程實踐是密切相關的基本觀點, 并按照斷裂力學發(fā)展的成熟度, 簡要介紹了線彈性斷裂力學、彈塑性斷裂力學等經典斷裂力學的基本理論。關鍵詞：斷裂力學; 形成發(fā)展; 應用研究Abstract: For its beautiful colors, dry- green jade is very popular and has an important role in jewelry market. In

2、order to deeply understand the substantive characteristics, the author systematically studies the chemical composition, mineralogy of dry-green of jade by means of microscope, electron micro pro be, X-ray diffraction,Infrared ray spectra, and discovers that this specimen contains tremendous hornblen

3、de and kiosk ocher, but which also contains a lot of mica that rarely appears in jade. So, considering the formationConditions of jade ore deposits, this paper preliminary analyze this special phenomenon, and provides significant clues for the further study of jade.Key words: Kosmochor; Mica; Hornbl

4、ende; Mineral characteristic; Jade ore deposits1 斷裂力學的形成與發(fā)展斷裂力學起源于20世紀初期, 發(fā)展于20世紀后期, 是一門研究含裂紋物體強度和裂紋擴展規(guī)律的學科, 是固體力學的一個新的分支, 也稱為裂紋力學。斷裂力學是一門現(xiàn)在仍在不斷發(fā)展和完善的科學, 因此, 它具有前沿性和挑戰(zhàn)性。斷裂理論初始萌芽于上世紀20年代AA格里菲斯對玻璃低應力脆斷的研究, 并在貨輪脆斷、橋梁倒塌、鍋爐壓力容器爆炸、美國“北極星”導彈固體燃料發(fā)動機殼實驗爆炸等一系列世界性重大低應力脆斷災難事故的促動下, 在經典Griffith理論的基礎上得到了進一步的發(fā)展。GR歐

5、文( Irwin) 在1958年和1960年發(fā)表了斷裂和斷裂力學兩篇著名的力學論文, 提出應力強度因子的概念, 使得線彈性斷裂理論取得了重大突破, 應力強度因子理論作為斷裂力學的最初分支線彈性斷裂力學建立起來。上世紀60年代, 斷裂力學這門新興的研究工程結構強度的科學得到了大力發(fā)展, 并迅速在世界范圍內廣泛傳播開來。我國對斷裂力學的研究至少比國外晚了20年, 直到上世紀70年代, 斷裂力學才廣泛引入我國, 一些單位和科技工作者逐步開展了斷裂力學的研究和應用工作。通過對構件的分析,運用斷裂力學的觀點、判據(jù),能把構件內部裂紋的大小和構件工作應力,以及材料抵抗斷裂的能力定量聯(lián)系起來,從而可對含裂紋構

6、件的安全性和壽命給出定量或半定量的估計,這就為工程構件的安全設計、制定合理的驗收標準和選材原則提供了新的理論基礎,對有危險的構件嚴禁使用,以免造成災難性事故。同時又能將無危險裂紋的構件重新利用,避免造成經濟損失。由于斷裂力學的深入探討和研究,長期以來,在人們印象中的那種“有斷必裂”的概念得到澄清,從而對認識斷裂失效和解決斷裂失效提供了有利的證據(jù)。對斷裂力學的研究體系,大致可分為兩類:一類是宏觀斷裂力學;另一類是微觀斷裂力學。宏觀斷裂力學是以各向同性、均質的變形固體為研究對象,工程中的斷裂問題都在此研究范疇,根據(jù)宏觀斷裂力學所研究的材料性質不同,又可分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學。斷裂力學的

7、應用從60年代起就顯示了它巨大的作用,從而推動了斷裂力學本身理論和實驗技術的發(fā)展。近年來,斷裂力學的應用得到很大的重視,它的應用范圍極其廣泛。大致可分為幾個方面:1)斷裂力學對工程材料和工程結構提出新的強度觀點和強度準則,并提出新材料性能和試驗的測定方法,同時給出結構設計的新方法。2)按照斷裂力學的基本觀點,任何材料和任何工程結構都不可避免出現(xiàn)缺陷,斷裂力學建立了一種判斷的準則,那就是什么是容許裂紋,什么是不容許裂紋。3)對于存在缺陷的構件,在外荷載的作用下,應用斷裂力學的理論來判斷構件剩余使用壽命。4)應用斷裂力學判斷影響工程材料和工程結構的主要斷裂因素及其影響的程度和變化規(guī)律。5)利用斷裂

8、力學的知識找出緩解裂紋擴展和阻止裂紋斷裂的方法。6)利用斷裂力學的原理,研究裂紋、結構、使用條件三者之間的關系和它們之間的變化規(guī)律,確定材料抗斷裂性能指標。并以此作為設計依據(jù)來確定構件的尺寸,保證其在使用壽命期間的可靠性。2 損傷力學的形成與發(fā)展20世紀中葉Kachanov(1958年)最初提出了用連續(xù)性變量描述材料受損的連續(xù)性變化過程。Rabotnov后來做了推廣,為損傷力學奠定了基礎。但在此后的十年中,這個概念幾乎無人問津。直到70年代,該概念才被人們重視。法國的Lemaitre用連續(xù)介質力學與熱力學的觀點研究了損傷對金屬材料的彈性、塑性的影響;隨后,瑞典的Hult ,英國的Leckie研

9、究了損傷和蠕變的耦合作用。這一階段形成了連續(xù)損傷力學的框架和唯象學基礎。80年代日本Murakami(村上澄男)等從微裂紋的尺度和幾何分布方面研究了損傷的各項異性及其對材料的力學性能的影響。1981年歐洲力學協(xié)會在法國的Cachan舉行了首次損傷力學國際討論會4。同年,我國的有關刊物開始登載關于損傷理論的文章。此后十多年,損傷力學有了很大的發(fā)展,在宏觀唯象學理論框架和損傷材料本構行為的復雜連續(xù)介質描述等方面都有了較為成熟的研究結果。到了90年代,損傷力學研究的重點是損傷的宏細觀理論,其特征為:引入多層次的缺陷幾何結構,在材料的宏觀體元中引入細觀或微觀的缺陷結構,試圖在材料細觀結構的演化與宏觀力

10、學響應之間建立起某種聯(lián)系,對材料的本構行為進行宏觀、細、微觀相結合的描述。這種研究正在成為追蹤材料從變形、損傷到失穩(wěn)或破壞的全過程,以解決固體力學部分課題的主要途徑。3 斷裂力學的應用與研究斷裂力學根據(jù)所研究裂紋尖端附近材料塑性區(qū)的大小, 可分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學;根據(jù)引起斷裂的載荷性質, 又可分為斷裂靜力學和斷裂動力學。線彈性斷裂力學是應用線彈性理論研究物體裂紋擴展的規(guī)律和斷裂準則。1921年A. A.格里菲斯通過分析材料的低應力脆斷, 提出了裂紋失穩(wěn)擴展準則( 格里菲斯準則) 。1957年G. R. 歐文通過分析裂紋尖端附近的應力場, 提出了應力強度因子的概念, 建立起以應力強

11、度因子為參量的裂紋擴展準則。線彈性斷裂力學主要用于解決脆性材料的平面應變斷裂問題, 多用于發(fā)動機轉子、大型接頭和車軸等大型構件和脆性材料的斷裂分析。彈塑性斷裂力學是應用彈性力學、塑性力學來研究物體裂紋擴展規(guī)律和斷裂準則, 多用于有裂紋構件內裂紋尖端附近有較大范圍塑性區(qū)的情況, 多采用J積分法、COD( 裂紋張開位移) 法、R( 阻力) 曲線法等近似或實驗方法進行分析。對于薄板平面應力斷裂問題通常也采用彈塑性斷裂力學來進行研究。另外, 彈塑性斷裂力學在焊接結構缺陷評定、壓力容器斷裂控制、結構物低周疲勞和蠕變斷裂的研究等方面也起到了重要作用。線彈性斷裂理論的研究和應用已比較成熟, 彈塑性斷裂力學的

12、理論迄今仍不成熟, 彈塑性裂紋的擴展規(guī)律還有待于進一步研究。斷裂力學不僅可以用于預測在外界條件影響下有裂紋構件的最大承載能力, 還能夠預測在外界條件影響下裂紋擴展到臨界尺寸的速率等, 目前在航空航天、交通運輸、能源化工、機械材料等工程領域得到了十分廣泛的應用, 其研究方法已列入上述各部門的設計、制造、驗收及使用規(guī)范中。4 斷裂損傷力學在混凝土中的應用4.1 混凝土損傷與斷裂過程混凝土材料的力學性能是混凝土結構設計的重要依據(jù),它取決于原材料的品質、組分、澆灌工藝和使用條件。如何配置滿足結構要求的混凝土,充分利用混凝土的力學性能,設計和建造出經濟、技術安全和結構合理的建筑物或工程結構,對于結構工程

13、師來說是必不可少的知識。過去,人們對于混凝土力學性能的探索,在很大程度上要依靠試驗技術和測試手段。隨著試驗技術的發(fā)展,混凝土各種力學性能被揭示出來。人們通過試驗逐漸認清了混凝土的壓縮、拉伸和彎曲等力學性能并在結構設計中加以引用。從國內外已有的試驗資料可知:混凝土是典型的非均勻材料,其中含有微裂紋,甚至有宏觀的缺陷如裂紋、夾碴、氣泡、孔穴等。混凝土的強度、變形和破壞性能都與裂紋的擴展有關。對于混凝土內部結構的亞微觀分析發(fā)現(xiàn)2,混凝土在承受載荷以前已存在裂紋,這些裂紋大致可以分為兩種類型:1)隨機分布的微裂紋,它在一定程度上控制著混凝土的抗拉和抗壓等宏觀強度;2)方向一定的宏觀裂紋,它有時使得混凝

14、土的力學性質呈現(xiàn)各向異性。混凝土類材料的斷裂過程受控于其中原有的微裂紋,微裂紋一方面影響宏觀裂紋的萌生過程,另一方面對主裂紋產生屏蔽和劣化的雙重作用5?；炷恋钠茐氖怯捎趯ο篌w系中潛在的各種缺陷引起的,其破壞過程實際上就是微裂紋萌生、擴展、貫通,直到產生宏觀裂紋,導致混凝土失穩(wěn)破裂的過程。4.2 混凝土斷裂力學的研究現(xiàn)狀1920年Griffith在研究玻璃等脆性材料時提出了斷裂理論,經Irin和Owen的修正和發(fā)展,20世紀50年代形成了適用于高強度鋼材的線彈性斷裂力學。線彈性斷裂力學出現(xiàn)后,土木工程師很容易想到能否用斷裂力學的概念研究混凝土的破壞機理和宏觀裂縫的穩(wěn)定性。Neville最先把G

15、riffith理論應用于混凝土,他認為試件尺寸對于強度的影響與混凝土中隨機分布的裂紋有關。1961年,Kaplan首先將斷裂力學的概念引用到混凝土中,并進行了混凝土的斷裂韌度試驗。此后國內外更多的工作是進行各種斷裂模式(包括拉裂模式、剪切模式和撕裂模式)的實驗研究以及斷裂韌度的測試,并積累了大量的測試資料,提出了一系列應力強度因子的計算方法和經驗斷裂判據(jù)。在此基礎上人們開始研究裂縫的存在對于斷裂過程的影響。雖然這種研究仍然是基于線彈性力學的基本假設,并且所能考慮的裂縫數(shù)目和形態(tài)都非常有限,但是這些基本研究使人們對于這類斷裂物理現(xiàn)象有了較為清晰的認識。同時,線彈性斷裂力學在結構工程及其設計上也有

16、成功的應用。在斷裂力學中,按裂縫受力情況,將裂縫分為三種基本類型,如圖1所示。1)張開型()裂縫,拉力不僅與裂縫面垂直,而且與裂縫前緣垂直;2)滑開型()裂縫,裂縫受平行于裂縫面而垂直于裂縫前緣的剪力作用;3)撕開型()裂縫,裂縫受平行于裂縫面又平行于裂縫前緣的剪力作用。無論何種形式的載荷,都會在裂縫尖端形成應力集中或應力趨于無窮大的奇異性。在斷裂力學中,能量釋放率G是衡量裂縫擴展的重要指標。它是指擴展單位裂縫表面積( A) ,裂縫體所釋放的應變能( U) 。這種斷裂指標存在如下數(shù)量關系:其中,B為平行裂縫前緣且平行于裂縫面的裂縫寬度; 為垂直于裂縫前緣且平行于裂縫面的長度;為裂縫擴展的長度。

17、還有一個表示抗斷裂性能的指標是裂縫尖端的應力強度因子K,它不代表某一點的應力,而是代表應力場強度的物理量,用它作為參量來建立破壞條件是恰當?shù)?。應力強度因子一般可寫?式中:名義應力(裂縫位置上按無裂縫計算的應力) ;a裂縫尺寸(裂縫長或深) ;Y形狀系數(shù)(與裂縫大小、位置等有關) 。能量釋放率G與裂縫尖端的應力強度因子K之間有一定的關系:對于型裂縫: 其中, (平面應力情況) , (平面應變情況) 。型裂縫同型裂縫是相同的。對于型裂縫: 其中,v為泊松比; E為楊氏彈性模量。在研究裂縫尖端的開裂狀態(tài)時,一般都以能量釋放率G和強度因子K為研究對象。總之,斷裂力學和損傷力學在混凝土中的研究前景非常

18、廣闊,斷裂力學和損傷力學在理論上的突破會給混凝土的發(fā)展帶來不可估量的價值,從而推動建筑業(yè)、道路、橋梁等多種行業(yè)的發(fā)展。5 結束語 斷裂損傷力學理論是在現(xiàn)實生活中重多的災難性斷裂事故中形成,并不斷發(fā)展和完善起來的, 它來源于社會生產實踐, 又辯證地反過來指導人們的生產實踐。由于斷裂損傷力學在我國的研究起步較晚,加之其所涉及的不僅是材料力學的發(fā)展與充實, 而且還涉及到金屬物理學、冶金學、材料科學、計算數(shù)學等多學科內容, 現(xiàn)在乃至將來的一段時間內仍將處于發(fā)展研究階段。隨著概率斷裂力學等研究方法的引入, 斷裂損傷力學研究內容會更加豐富, 研究理論會更加完善,并在生產實際中得到進一步的發(fā)展, 發(fā)揮更大的指導作用。參