混凝土断裂力学：破坏原理及强度分析

混凝土作为一种材料，在空间各种简单或复杂应力作用下，存在宏观表象上不同的破坏现象，有拉裂破坏、压溃破坏、剪切破坏等不同表现形式。

传统的强度破坏理论包括：

（1）最大拉应力强度准则。按照这个强度准则，混凝土材料中任一点的主拉力达到单轴抗拉强度时，材料即达到破坏。

（2）莫尔-库仑强度准则。按照这个强度准则，当某一截面上的剪切应力达到剪切强度极限值时，混凝土材料即达到破坏，但剪切强度与面上的正应力有关。

（3）Tresca强度准则。Tresca提出，当混凝土材料中一点应力达到最大剪应力的临界值K时，混凝土材料即达到极限强度，如式（1.1）所示。

（4）Von Mises强度准则。按照这个强度准则，当混凝土材料中一点应力达到最大剪应力的临界值K时，混凝土材料即达到极限强度，如式（1.2）所示。(www.xing528.com)

除此之外，还有Ottosen强度准则、Reimann强度准则、Hsich-Ting-Chen四参数强度准则等。

上述传统的强度准则都是以均质连续介质假定为基础的，工程实践和试验表明，在构件没有宏观裂缝的情况下，这些传统的强度准则在一定程度上具有可行性。但是一旦结构出现宏观裂缝，裂缝将如何扩展，对于这一类问题，传统的强度理论是无能为力的。

另外，更深入的研究表明，混凝土不同破坏现象的深层原因均是由于混凝土内部先天存在的大小不同的微裂缝引起，这些内部众多的微裂缝在荷载作用过程中不断扩展汇合，是混凝土宏观断裂和解体破坏的深层机理。显然，传统强度理论无法考虑这种先天的微裂缝带来的影响。实际上，正如本书第2章线弹性断裂力学中所述，这些先天裂缝在一定程度上将产生强度的尺寸效应。

与均质连续介质不同的是，混凝土的破坏往往可以表现为三个不同的阶段：第一阶段通常为砂浆和骨料结合面的破坏，此时结合面开始出现较为严重的微裂缝扩展现象，众多的微裂缝开始稳定、缓慢地发展。在此之前，可以认为混凝土具有弹性性质。第二阶段往往是砂浆的破坏，此时由于结合面上的裂缝开始扩展汇合进入砂浆，使得硬化水泥浆内部裂缝开始稳定、缓慢地发展。在这个阶段，荷载和变形出现非线性关系。第三阶段，也就是裂缝扩展的最后一个阶段，此时，内部的裂缝迅速汇合失稳扩展，使得材料完全不能再承受更大的荷载，此时最终所能承受的最大应力即是传统上所称的混凝土极限强度。

由于传统的强度理论只能在构件未出现宏观裂缝，且基本满足均质连续介质的范围内应用。因此，当构件内存在先天的微裂缝以及出现宏观裂缝时就要用相应的新理论来处理，而这正是断裂力学所要研究的内容之一。