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本文是针对混凝土损伤断裂过程中的若干问题提出的,这些问题包括:混凝土损伤断裂的非线性、考虑损伤的强度计算、损伤力学与断裂力学的结合应用、混凝土的渗流-应力-损伤耦合问题以及混凝土损伤断裂的试验研究等。
混凝土结构、构件受载后的宏观破裂失稳与其在变形时的内部损伤(微裂纹)产生、分布、扩展和聚集密切相关。在外力作用下混凝土内部的初始损伤引起应力集中,致使裂纹不断的扩展甚至是失稳扩展,因此混凝土的破坏过程实质上是裂纹的扩展和失稳的过程。所以,要弄清混凝土构件的宏观破裂机制,必须从混凝土在各级应力状态下损伤(微裂纹)发生、发展的全程入手,系统完整地研究非线性断裂破坏性质转化的内在本质规律。如何建立既考虑混凝土特定的细观结构又能较好地描述宏观力学行为,一直是损伤力学、断裂力学和混凝土力学的关键问题之一。
基于以上分析,本文的具体研究内容及结果如下:
(1)从混凝土材料的非线性以及混凝土的初始损伤的非规则性入手,引入了混凝土损伤的非线性演化模型,分析了混凝土的损伤断裂的非线性特征;
(2)引入损伤的因素来更精确的计算混凝土板受弯所产生的内力以及所能承受的极限弯矩荷载,并且将结果与无损伤时的极限弯矩进行比较,得出具体的数量上的差别,并且得到中性轴和损伤位置随弯矩的变化情况以及混凝土板在破坏时的中和轴的位置和断裂单元层的位置等;
(3)把损伤与断裂力学有机的结合起来,建立了混凝土损伤断裂判据;
(4)通过建立数值模型,考虑细观单元性质的非均匀分布,得到材料应力分布的非均匀性,通过弹性模量和强度等力学性质的弱化和渗透系数、水压力的提高描述单元的损伤和破坏后的渗流-应力-损伤耦合作用机制,研究断裂的局部化以及裂纹萌生、扩张乃至渐进破坏的全过程,在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力-损伤耦合方程;
(5)通过物理试验和数值试验对混凝土的损伤与断裂问题进行研究,根据结果的分析,得出可以利用数值模拟的手段在细观层次上研究混凝土裂纹尖端损伤区受力单元的应力分布情况的结论。