基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨

基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨摘要：本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂实验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型，考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷，裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况，利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素，认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土耐久性的提升。

关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂

中图分类号：tu37文献标识码：a文章编号：

1 研究背景

钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。

断裂力学

损伤：在外载或环境作用下，由细观结构缺陷（如微裂纹、微孔隙等）萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化称为损伤。 损伤力学：研究材料或构件在各种加载条件下，其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。 损伤变量：把含有众多分散的微裂纹区域看成是局部均匀场，在场内考虑裂纹的整体效应，试图通过定义一个与不可逆相关的场变量来描述均匀场的损伤状态，这个场变量就是损伤变量。 损伤力学发展：损伤力学是近二十年才开始形成和发展的一门新的固体力学分支，它是将固体物理学、材料强度理论和连续介质力学统一起来进行研究的理论，弥补了微观研究和断裂力学研究的不足，越来越多地应用于航天航空、高温高压热力设备寿命评估和混凝土、复合材料、高分子材料质量评估计算，是一门有着无限广阔用途的新学科。 1958年，卡钦诺夫(Kachanov)在研究金属的蠕变破坏时，为了反映材料内部的损伤，第一次提出了“连续性因子”和“有效应力”的概念。后来，拉博诺夫(Rabotnov)又引入了“损伤因子”的概念。他们为损伤力学的建立和发展做了开创性的工作。但在很长的一段时间内，这些概念和方法除了应用于蠕变问题的研究外，并未引起人们的广泛重视。70年代初，“损伤”概念被重新提出来了。值

得指出的是法国学者勒梅特在这方面做出了卓越的贡献。1971年勒梅特将损伤 概念用于低周疲劳研究，1974年英国学者勒基(Leckie)和瑞典学者赫尔特(Hult)在蠕变的研究中将损伤理论的研究向前推进了一步。70年代中期和末期各国学者相继采用连续介质力学的方法，把损伤因子作为一种场变量，并称为损伤变量;逐步形成了连续损伤力学的框架和基础。80年代中期，能量损伤理论和几何损伤理论相继形成。各国学者相继的研究成果，对损伤理论的形成和发展都做出了有益的贡献。

断裂力学习题

断裂力学习题 一、问答题 1、什么是裂纹？ 2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。 3、断裂力学的任务是什么？ 4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法： 5、试述I型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。b5E2RGbCAP 6、什么是应力场强度因子K1？什么是材料的断裂韧度K1C？对比单向拉伸条件下的应力及断裂强度极限b，，说明K1与K1C的区别与联系？p1EanqFDPw 7、在什么条件下应力强度因子K的计算可以用叠加原理 8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？ 9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。 10、K准则可以解决哪些问题？ 11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？ 12、确定K的常用方法有哪些？ 13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？ 14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？ 15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。

16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？ 17、裂纹对材料强度有何影响？ 18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征 19、什么叫塑性功率？ 20什么是G准则？ 21、线弹性断裂力学的适用范围。 22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？ 23、什么是Airry应力函数？什么是韦斯特加德

材料的韧性及断裂力学简介

第二节材料的韧性及断裂力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点： 1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4.厚截面、高应变速率促进脆断。 由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。 传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E、屈服极限σs、抗拉强度σb，而塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小，它是材料强度和塑性的综合反映。 例如图l-2为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性，即 图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度σb比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变εp确远较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。 图1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化。具体方法是将图1-3所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试 样断裂，用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以αk表示，单位为J/cm^2。目前国际上多用夏氏V型缺口试样，我国多用U型缺口试样。由于缺口冲击

断裂力学期末考试试题含答案

一、 简答题（80分） 1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。（15分） 2 请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论？（15分） 3. 请简述应力强度因子的含义，并简述线弹性断裂力学中裂纹尖端应力场的特点？（15） 4. 简述脆性断裂的K 准则及其含义？（15） 5. 请简述疲劳破坏过程的四个阶段？（10） 6. 求出平面应变状态下裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并解释为什么裂纹尖端塑性区尺寸在平面应变状态比平面应力状态小？（5分） 7. 对于两种材料，材料1的屈服极限s σ和强度极限b σ都比较高，材料2的s σ和b σ相对较低，那么材料1的断裂韧度是否一定比材料2的高？试简要说明断裂力学与材料力学设计思想的差别？ （5分） 二、 推导题（10分） 请叙述最大应力准则的基本思想，并推导出I-II 型混合型裂纹问题中开裂角的表达式？ 三、 证明题（10分） 定义J 积分如下， (/)J wdy T u xds Γ =-????，围绕裂纹尖端的回路Γ，始于裂纹下表面，终于裂纹上表面，按逆时针方向转动，其中w 是板的应变能密度，为作用在路程边界上的力，是路程边界上的位移矢量，ds 是路程曲线的弧元素。证明J 积分值与选择的积分路程无关，并说明J 积分的特点。 四、 简答题（80分） 1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。（15分） 答： 按裂纹受力情况把裂纹（或断裂）模式分成三类：张开型（I 型）、滑开型（II 型）和撕开型（III 型），如图所示

钢筋混凝土保护层锈胀开裂的临界锈蚀量模型

第31卷　第12期 2009年6月 武　汉　理　工　大　学　学　报 JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.31　No.12 　J un.2009 DOI :10.3963/j.issn.167124431.2009.12.027 钢筋混凝土保护层锈胀开裂的临界锈蚀量模型 周锡武1,卫　军2,徐　港3 (1.佛山科技学院环境与土木建筑学院,佛山528000;2.中南大学土木建筑学院,长沙410075; 3.武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072) 摘　要:　基于弹塑性理论,考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及诸多影响因素,如钢筋直径、保护层厚度、锈蚀产物及混凝土的材料性能等,推导出混凝土破损程度与锈蚀深度的相互关系,建立了均匀锈蚀下钢筋混凝土保护层锈胀开裂的临界锈蚀量模型。理论模型计算结果与试验数据的对比表明,模型可用于混凝土中钢筋锈蚀胀裂的预测。关键词:　混凝土保护层;　钢筋锈蚀;　锈胀力;　锈蚀产物中图分类号:　TU 311.2 文献标识码:　A 文章编号:167124431(2009)1220099204 B ar Critical Corrosion R atio Model of R einforcement Concrete Cover Corrosion Expanding Crack ZHO U Xi 2w u 1,W EI J un 2,X U Gang 3 (1.College of Civil Engineering ,Foshan University of Science and Technology ,Foshan 528000,China ;2.School of Civil Engineering and Architecture ,Central S outh University ,Changsha 410075,China ; 3.School of Civil Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China ) Abstract :　 Based on the elastic 2plastic theory and the model for calculating the cracking of cover in reinforced concrete struc 2ture due to rebar uniform corrosion was proposed.In the model the real deformation of concrete and rebar as well as the bar di 2ameter ,the cover thickness ,the performance of corroded products and concrete material were considered.In this article ,the relationship between the corrosion depth of the bar and the cracking of the concrete cover is established.The comparison of cal 2culation result with experimental data indicates that the proposed model is feasible for predicting the expansion cracking of con 2crete cover due to corrosion of rebar. K ey w ords :　concrete cover ;　reinforcement corrosion ;　corrosion pressure ;　corroded products 收稿日期:2009202223. 基金项目:国家自然科学基金(50538070). 作者简介:周锡武(19722),男,博士.E 2mail :xiwuzhou @https://www.doczj.com/doc/0518732887.html, 混凝土结构耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起保护层破损及结构破坏。钢筋锈蚀后其锈蚀体积是原有体积的2—3倍[1],对钢筋周围混凝土产生挤压。锈蚀产物的不断积聚,直接导致混凝土保护层沿钢筋产生纵向开裂裂缝。裂缝的形成又进一步加速了钢筋腐蚀速率,严重影响混凝土结构的耐久性,因此 研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。目前国内外已有学者对保护层开裂时的

(完整版)断裂力学试题

2007断裂力学考试试题 B 卷答案 一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分） 1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法. 2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力θσ为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值max ()θσ达到临界时,裂纹开始扩展. 3、应变能密度:r S W = ，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场密度切的强弱程度。 4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。 5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。 二、推导题（本大题10分） D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。 积分路径：塑性区边界。 AB 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ===212,,0 BD 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ-===212,,0 5分 δ σσσσΓ s D A s D B s B A s BD A B i i v v v v dx x u T dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=??-??-=??-=???)()(1 122112212 5分 三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分） 1、利用叠加原理:微段→集中力qdx →dK = Ⅰ ?0 a K =?Ⅰ 10分 A

令cos cos x a a θθ==,cos dx a d θθ= ?111sin () 10 cos 22(cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ 当整个表面受均布载荷时,1a a →. ?12()a a K -==Ⅰ 10分 2、边界条件是周期的: a. ,y x z σσσ→∞==. b.在所有裂纹内部应力为零.0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±在区间内 0,0y xy στ== c.所有裂纹前端y σσ> 单个裂纹时 Z = 又Z 应为2b 的周期函数 ?sin z Z πσ= 10分 采用新坐标:z a ξ=- ?sin ()a Z π σξ+= 当0ξ→时,sin ,cos 1222b b b π π π ξξξ== ?sin ()sin cos cos sin 22222a a a b b b b b π π π π π ξξξ+=+ cos sin 222a a b b b π π π ξ= + 222 2[sin ()]( )cos 2 cos sin (sin )2222222a a a a a b b b b b b b π π π π π π π ξξξ+=++

混凝土的断裂能及其测试方法

砼的断裂能及其测试方法 邓　宗　才 (山东建材学院) 1　前言 多年来,Gr iff ith -Irwi n 经典理论已成功地用于金属、聚合物和硅酸盐断裂过程的分析,它用于砼及类似材料的断裂试验,是从1961年Kaplam 发表的第一篇文章开始的。目前砼断裂力学及连续损伤力学等都取得了一定的发展,特别是提出断裂能的概念之后,砼断裂力学发展较快,并逐渐迈向实用化。砼断裂过程是一个十分复杂的问题,砼在断裂损伤时要吸收一定的能量,常用断裂能来反映材料的力学特性,用它可以分析普通砼、高性能砼和纤维增强砼的性能。在研究砼拉伸软化曲线?-W 时也要用到断裂能值。总之,断裂能是砼断裂力学中一个很重要的参数。本文系统探讨了砼断裂能的测试 技术,推导了断裂能的计算公式。2　砼拉伸软化曲线及断裂能的概念 在图1中,应力连续增加直至达到最大荷载,材料在曲线上开段的非线性是由于微 裂纹所致。当应力达到最大值时,同样的横截面承受的荷载不可能更多,因此,我们可以这样假设,当试件要继续变形时,微裂纹的发展应集中在此截面附近的一个小范围内,这样假定是合理的。断裂区一旦扩展,应力就减小。断裂区的特点是有附加变形W ,断裂区应力与附加变形量之间的关系如图2(b )所示,该曲线叫材料的软化曲线,它不受试件尺寸及应力状态的影响,可视为材料的常数。 图1砼稳定的应力～应变全曲线图2(a )应力与应变间的关系图2(b )断裂区应力与附加变形之间的关系 对于砼拉伸试件在断裂破坏中所吸收的总能量为荷载～位移曲线的下的面积,即: W =A l ∫?d Ε +A ∫ ?dw (1)(1)式中第一部分?-Ε曲线下的面积(见图 7 1山东建材1996第2期

断裂力学在混凝土结构中的应用

研究生试卷 2012 年—2013年度第2 学期 评分：________________________ 课程名称：断裂与损伤力学 专业：建筑与土木工程 年级：2012 任课教师姓名：易志坚 研究生姓名：郭延飞 学号：2120970010 注意事项 1.答题必须写清题号； 2.字迹要清楚，保持卷面清洁； 3.试题随试卷交回； 4.考题课俺百分制评分，考查课可按五级分制评分； 5.阅完卷后，授课教师一周内讲成绩在网上登记并打印签名后，送研究生部备案； 6.试题、试卷请授课教师保留三年被查。

断裂力学在混凝土结构中的应用 郭延飞 （建筑与土木工程专业12级5班2120970010）[摘要]断裂力学是在实践的基础上发展起来研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹规律的一门新兴力学学科。本文通过对断裂力学的论述讲解了其在混凝土结构中的应用，以及“阻”、“放”、“抗”裂纹控制思想所取得的成果。 [关键词]断裂力学裂纹控制混凝土结构 1 断裂力学简介 断裂力学是在实践的基础上发展起来的研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹扩展规律的一门新兴力学学科。它能从新的角度进行深层次分析、描述破坏过程及评价损伤状况，运用连续体力学的原理，来研究带有缺陷的均质连续材料制成工程结构构件的强度与断裂条件，建立一套适用于这类构件的理论分析与实验研究的原理与方法，以确保其安全服役。断裂力学的应用可带来土木工程的革新，丰富现有的结构设计理论。 与传统的设计思想不同，断裂力学承认构件或材料不可避免地存在的缺陷和裂纹，并以含有裂纹或缺陷的材料和结构为研究对象，研究含缺陷或者裂纹材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的稳定、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。它与常规强度理论的差别是： （1）研究对象不同。常规理论研究的对象是不含裂纹的物体，断裂力学则把存在裂纹或者缺陷的物体作为研究对象，为此，断裂力学也称之为裂纹（体）力学。 （2）研究中运用的判据不同。传统强度理论判据结构是否破坏是基于结构中的应力是否超过相应材料的允许应力。但断裂力学理论认为，一旦结构出现裂纹，则裂纹尖端将出现巨大的应力集中，即出现应力的奇异性，带裂纹结构的强度将远远低于相应无裂纹结构的强度。裂纹的扩展受裂纹尖端应力强度因子的控制，一旦应力强度因子K超过其临界值Kc，裂纹将扩展而导致结构的破坏。 线弹性断裂力学的研究对象是带有裂纹的线弹性体，其基础是线弹性理论，目前用于线弹性断裂力学研究的有能量理论和应力强度因子理论；弹塑性理论断裂力学是分析在裂纹端部已有很大塑性区的大范围屈服断裂问题和全面屈服断裂问题。 2 断裂力学在混凝土结构中的应用 钢筋混凝土结构是由混凝土为主体，配设不同形式的抗拉钢筋所构成的组合材料，二者的性能互补，成为迄今结构工程中应用最成功、最广泛的复合材料结构。而其主体材料—混凝土，是一种天生存在诸多缺陷的结构材料，在搅拌和浇注过程中混入的少量空气，经振捣后仍有部分残留在砂浆内部，在混凝土的凝固过程中，由于水分蒸发和水泥砂浆干缩变形等原因，使粗骨料和砂浆界面以及砂浆的内部形成不规则的细长缝隙，此外，还有一些施工和环境因素引起混凝土的非均质性和不等向性。因此，混凝土结构在承受荷载或外应力之前，内部已经存在少量分散的微裂缝或缺陷，混凝土受力之后直到破坏，都是这些裂缝或缺陷的发展、汇集、失稳扩展的过程。 断裂力学认为：混凝土结构能否继续或者更安全的使用最为重要的是确定结构中的微观裂纹和宏观裂纹是否将继续扩展并导致破坏。这种扩展可以缓慢而稳定并且仅在荷载增加时存在，或者，裂纹扩展到一定程度突然变为不稳定扩展或者停止扩展达到稳定状态。断裂力

不同因素下钢筋混凝土裂缝宽度与锈蚀率的关系_图文.

2015年第6期(总2∞期安徽建筑 口口 DOI:10.16330/https://www.doczj.com/doc/0518732887.html,ki.1007—7359.2015.04.083 不同因素下钢筋混凝土裂缝宽度与锈蚀率的关系 Relationship between Crack Width and Corrosion Ratio of Steel Concrete under Different Factors 鹿鸣,张同双 (山东科技大学,山东青岛266590 摘要:锈胀开裂是钢筋混凝土桥梁在腐蚀环境下最常见的灾害。试 验设计了12个钢筋混凝土构件,放入盐水中进行通电加速锈蚀。并测 得锈胀裂缝宽度。文章研究了在保护层厚度不变的情况下,不同水友 比和钢筋直径对锈胀裂缝宽度与锈蚀率之问关系的影响,对钢筋混凝 土结构耐久性设计提供一定的参考。 关键词:水灰比;钢筋直径;锈胀裂缝宽度;钢筋锈蚀率 中图分类号,TU392.2文献标识码:A 文章编号:1007—7359(201506—0192—03 0引言 钢筋混凝土锈蚀损伤耐久性问题已成为国内外广为关注 的研究热点llI,已有的评估标准认为混凝土保护层一旦开裂耐 久寿命便终结。但是大量的研究表明,混凝土保护层锈胀开裂 时钢筋的锈蚀率很小,钢筋与混凝土问的粘结性能无明显退

咎化。这时的损伤累积还不足以对结构的承载力构成威胁[231。对气。混凝土保护层锈胀开裂及开裂后的裂缝宽度扩展进行研究,在爱不破坏结构安全的情况下,通过外观检查测量,根据锈胀裂缝薹宽度与相关因素之间的关系,合理准确地进行结构耐久寿命评测估,确定维修加固措施以及基于耐久性的结构再设计,无疑具差有现实意义。 梗 未 安徽建筑 192 1试验设计 经过电化学加速腐蚀钢筋混凝土试件中的钢筋之后,使试 件表面出现不同宽度的裂缝(0.2mm、0.4mm、O.7mm以及 1.0mm,根据混凝土水灰比、钢筋直径等因素对锈蚀开裂的影 响,说明不同水灰比和钢筋直径对锈胀裂缝宽度与锈蚀率之间 关系的影响,并通过实测钢筋锈蚀率的试验结果加以完善和改 进。 1.1试验原材料 ①水泥:P.0.42.5。 ②石子:碎石,5~25ram连续级配。 ③砂:中砂,细度模数2.6,级配良好。 ④钢筋:HRB335,二级钢。

混凝土中的断裂力学模型(言志超11102001)

几种混凝土中的断裂力学模型研究 言志超1刘涛2胡一舟2 （重庆交通大学研究生院材料系400074） 摘要纵观断裂力学几十年的发展，经过前人的努力，无论在理论还是试验上都有了不少的进步，形成了不少较为完善的模型。在工程上断裂力学的应用也非常广泛，本文将就混凝土断裂力学模型稍作归纳和总结。 关键词断裂力学混凝土模型 1研究的背景 1961年Kaplanl首先将断裂力学的概念引用到混凝土中,并进行了混凝土的断裂韧度试验"此后数十年间,国内外学者在该领域进行了大量的理论和试验研究,取得了许多成果,早期的混凝土断裂力学方面的研究大多是以线弹性断裂力学为基础的"线弹性断裂力学为是假定混凝土在断裂前是理想的弹性体,主要有以下两种分析方法：一种是能量法,即从能量平衡的观点出发.将能量释放率与形成单位裂纹表面所需要的能量进行比较"当前者小于后者时,裂纹稳定"；另一种是应力强度因子法，即从裂纹尖端的应力场出发,利用裂纹尖端的应力强度因子来衡量构件或者结构的稳定与否。线弹性断裂力学对混凝土断裂力学的发展起了一个开创的作用,在线弹性断裂力学的基础上,通过修正线弹性断裂力学建立起一系列的断裂模型"随着研究的进一步开展,大量的试验研究表明应力强度因子具有尺寸效应。自此,人们逐渐把研究的重点转向非线性断裂力学,且伴随数值分析软件的开发,断裂力学逐渐结合数值分析方法,相继提出非线性数值模型,如虚拟裂缝模型、裂缝带模型、双参数模型、双K模型等。 2断裂模型研究 （1）双参数断裂模型

图1.1 素混凝土抵抗断裂过程的荷载—裂缝口位移曲线 如图 1.1(a),当P<0.5P max 时,P 一CMOD 曲线基本上处于线性阶段,此时 K 1<0.5K s ic ；当P ≥0.5P max 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K j ＝K s ic ,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。 图1.2 两种类型试件的临界点和最大荷载的关系

断裂力学答案

（ （ = K I + K I(2) 1.简述断裂力学的发展历程（含3-5 个关键人物和主要贡献）。 答：1）断裂力学的思想是由Griffith 在1920 年提出的。他首先提出将强度与裂纹长度定量 地联系在一起。他对玻璃平板进行了大量的实验研究工作，提出了能量理论思想。（2）断裂 力学作为一门科学，是从1948 年开始的。这一年Irwin 发表了他的第一篇经典文章“Fracture Dynamic（断裂动力学）”，研究了金属的断裂问题。这篇文章标志着断裂力学的诞生。（3） 关于脆性断裂理论的重大突破仍归功于Irwin。他于1957 年提出了应力强度因子的概念，在 此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术。这样，作为断裂 力学的最初分支——线弹性断裂力学就开始建立起来了。（4）1963 年，Wells 提出了裂纹张 开位移（COD）的概念，并用于大范围屈服的情况。研究表明，在小范围屈服情况下COD 法与LEFM 是等效的。（5）1968 年，Rice 等人根据与路径无关的回路积分，提出了J 积分 的概念。J 积分是一个定义明确、理论严密的应力应变参量，它的实验测定也比较简单可靠。 J 积分的提出，标志着弹塑性断裂力学基本框架形成。 2.断裂力学的定义，研究对象和主要任务。 答：1）断裂力学的定义：断裂力学是一门工程学科，它定量地研究承载结构由于所含有的 一条主裂纹发生扩展而产生失效的条件。 （2）研究对象：断裂力学的研究对象是带有裂纹的承载结构。 （3）主要任务：研究裂纹尖端附近应力应变分布，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了 解带裂纹构件的承载能力，进而提出抗断设计的方法，保证构件安全工作。 3.什么是平面应力和平面应变状态，二者有什么特点？请举例说明之。 答：（1）平面应力：薄板问题，只有xoy 平面内的三个应力分量σ x、σ y、τ xy； ε z ≠ 0， 属三向应变状态。 （2）平面应变：长坝问题，与oz 轴垂直的各横截面相同，载荷垂直于z 轴且沿z 轴方向无 变化； ε z = 0， σ z ≠ 0，属三向应力状态；材料不易发生塑性变形，更具危险。 4.什么是应力强度因子的叠加原理，并证明之。掌握工程应用的方法。 答：（1）应力强度因子的叠加原理：复杂载荷下的应力强度因子等于各单个载荷的应力强 度因子之和。 (1) 在外载荷T2作用下，裂纹前端应力场为 σ2，则相应的应力强度因子为K I(2) = σ 2 π a 如果外载荷T1和T2联合作用，则裂纹前端应力场为 σ1+ σ2，则相应的应力强度因子为 K I = (σ 1 + σ 2 ) π a = σ 1 π a + σ 2 π a (1) 6.为什么裂纹尖端会发生应力松弛？如何对应力强度因子进行修正？ 答：裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（设塑性区是以裂纹尖端为圆心，半径为r0 的圆 π a 形区域），材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给r>r0 的区域），使r0 前方局部地 区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松弛。 Irwin 提出了有效裂纹尺寸的概念a eff = a + r y对应力强度因子进行修正，在小范围条件下，

混凝土断裂损伤力学

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

断裂力学复习题(实际)解答(课件)

断裂力学复习题 1．裂纹按几何特征可分为三类,分别是（穿透裂 纹）、（表面裂纹）和（深埋裂纹）。按力学特征也可分为三类，分别是（张开型）、（滑开型）和（撕开型）。 2．应力强度因子是与（外载性质）、（裂纹）及 （裂纹弹性体几何形状）等因素有关的一个量。材料的断裂韧度则是（应力强度因子）的临界值，是通过（实验）测定的材料常数。 3．确定应力强度因子的方法有：（解析法），（数 值法），（实测法）。 4．受二向均匀拉应力作用的“无限大”平板， 具有长度为2a 的中心贯穿裂纹，求应力强度因子ⅠK 的表达式。 【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在 裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为： ① 当y = 0，x → ∞时，σσσ==y x ； ② 在y = 0，a x <的裂纹自由面上， 0,0==xy y τσ；而在a x >时，随a x →，∞→y σ。

可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解 析函数为 22Ⅰ )(a z z z Z -=σ （1） 将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有 z =ζ+a 或ζ= z －a ， 代入（1），可得： )2() ()(I a a Z ++=ζζζσζ 于是有： a a a a a K πσζζσπζζζσπζζζ=++?=++?= →→)2()(2lim )2() (2lim 00Ⅰ 5．对图示“无限大”平板Ⅱ型裂纹问题，求应 力强度因子ⅡK 的表达式。

【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在 裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为： ① 当y = 0，x → ∞时，ττσσ===xy y x ，0； ② 在y = 0，a x <的裂纹自由面上，0,0==xy y τσ；而在a x >时，随a x →，∞→xy τ。 可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解 析函数为 2 2Ⅱ )(a z z z Z -=τ （1） 将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有 z =ζ+a 或ζ= z －a ， 代入（1），可得： ) 2()()(Ⅱa a Z ++=ζζζτζ 于是有： a a a a a K πτζζτπζζζτπζζζ=++?=++?=→→) 2()(2lim )2()(2lim 00Ⅱ 6．对图示“无限大”平板Ⅲ型裂纹问题，求应 力强度因子ⅢK 的表达式。

断裂力学在工程结构中的应用

断裂力学在工程结构中的应用 摘要：断裂力学理论经过几十年的发展已日渐成熟。实际工程结构发生破坏必然伴随着裂纹的产生与扩展，应用断裂力学理论，分析钢筋混凝土结构和钢结构受载过程中裂纹扩展情况，提出结构设计施工的改进措施，有助于理论与实践的协调统一。 关键词：断裂力学；钢筋混凝土结构；钢结构；焊接 一、前言 断裂力学是固体力学中近几十年才发展起来的一个重要分支，它的最大特点是假设构件或材料已带有裂纹（即缺陷）。在此之前，工程师们按照传统的强度理论进行构件设计，即材料强度满足许用应力，但在实际使用中，有些结构常常会意外的发生低应力脆性断裂事故。起初，人们以为这些事故是由偶然因素造成的，并未引起重视。但随着社会的进步和科技的发展，高强焊接钢结构广泛使用，这类灾难性事故有增无减，直到五十年代美国“北极星”导弹固体燃料发动机壳在实验时发生爆炸事故，才普遍地引起了人们的重视。 科学工作者通过对断裂事故的调查分析，发现构件脆断时材料的工作应力远远低于其屈服强度，因此，这些事故不能再用传统的材料力学的强度理论来解释，而大量的实验研究说明低应力脆性断裂总是由裂纹扩展所导致的，这就催生了研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的学科—断裂力学。 二、断裂力学的发展 断裂力学分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断裂力学（属金属物理范畴）。宏观断裂力学通常又分为弹性断裂力学、弹塑性断裂力学。 1、弹性断裂力学 弹性断裂力学包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力。1921年，A.A.Griffith首先用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则；1955年，G.R.Irwin分析裂纹尖端应力应变场后，将应力强度因子作为新的断裂参量，并建立断裂判据，形成应力强度因子断裂准则。 2、弹塑性断裂力学 弹塑性断裂力学包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学。由于线弹性断裂力学是把材料作为理想线弹性体，但实际上，由于裂纹尖端应力高度集中，在裂纹尖端附近必然存在塑性区。若塑性区很小（如远小于裂纹长度），则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。但当裂纹尖端附近发生大范围屈服或全面屈服，即塑性区尺寸与裂纹长度相比不可忽略时，线弹性断

断裂力学答案

（ （ = K I + K I(2) 1.简述断裂力学的发展历程（含 3-5 个关键人物和主要贡献）。 答： 1）断裂力学的思想是由 Griffith 在 1920 年提出的。他首先提出将强度与裂纹长度定量 地联系在一起。他对玻璃平板进行了大量的实验研究工作，提出了能量理论思想。（2）断裂 力学作为一门科学，是从 1948 年开始的。这一年 Irwin 发表了他的第一篇经典文章“Fracture Dynamic （断裂动力学）”，研究了金属的断裂问题。这篇文章标志着断裂力学的诞生。（3） 关于脆性断裂理论的重大突破仍归功于 Irwin 。他于 1957 年提出了应力强度因子的概念，在 此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术。这样，作为断裂 力学的最初分支——线弹性断裂力学就开始建立起来了。（4）1963 年，Wells 提出了裂纹张 开位移（COD ）的概念，并用于大范围屈服的情况。研究表明，在小范围屈服情况下 COD 法与 LEFM 是等效的。（5）1968 年，Rice 等人根据与路径无关的回路积分，提出了 J 积分 的概念。J 积分是一个定义明确、理论严密的应力应变参量，它的实验测定也比较简单可靠。 J 积分的提出，标志着弹塑性断裂力学基本框架形成。 2.断裂力学的定义，研究对象和主要任务。 答： 1）断裂力学的定义：断裂力学是一门工程学科，它定量地研究承载结构由于所含有的 一条主裂纹发生扩展而产生失效的条件。 （2）研究对象：断裂力学的研究对象是带有裂纹的承载结构。 （3）主要任务：研究裂纹尖端附近应力应变分布，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了 解带裂纹构件的承载能力，进而提出抗断设计的方法，保证构件安全工作。 3.什么是平面应力和平面应变状态，二者有什么特点？请举例说明之。 答：（1）平面应力：薄板问题，只有 xoy 平面内的三个应力分量σ x 、σ y 、τ xy ； ε z ≠ 0 ， 属三向应变状态。 （2）平面应变：长坝问题，与 oz 轴垂直的各横截面相同，载荷垂直于 z 轴且沿 z 轴方向无 变化； ε z = 0 ， σ z ≠ 0 ，属三向应力状态；材料不易发生塑性变形，更具危险。 4.什么是应力强度因子的叠加原理，并证明之。掌握工程应用的方法。 答：（1）应力强度因子的叠加原理：复杂载荷下的应力强度因子等于各单个载荷的应力强 度因子之和。 (1) 在外载荷 T 2 作用下，裂纹前端应力场为 σ2，则相应的应力强度因子为 K I(2) = σ 2 π a 如果外载荷 T 1 和 T 2 联合作用，则裂纹前端应力场为 σ1+ σ2 ，则相应的应力强度因子为 K I = (σ 1 + σ 2 ) π a = σ 1 π a + σ 2 π a (1) 6.为什么裂纹尖端会发生应力松弛？如何对应力强度因子进行修正？ 答：裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（设塑性区是以裂纹尖端为圆心，半径为 r0 的圆 π a 形区域），材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给 r>r0 的区域），使 r0 前方局部地 区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松弛。 Irwin 提出了有效裂纹尺寸的概念 a eff = a + r y 对应力强度因子进行修正，在小范围条件下，

断裂损伤力学在土木工程中的应用

断裂损伤力学在土木工程中的应用 摘要：通过对断裂力学形成过程和形成原因, 来源于生产实践, 又指导生产实践的辩证关系等进行分析, 说明科学技术进步与社会生产实践相辅相成的辩证关系, 阐述断裂力学的发展与工程实践是密切相关的基本观点, 并按照断裂力学发展的成熟度, 简要介绍了线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学等经典断裂力学的基本理论。 关键词：断裂力学; 形成发展; 应用研究 Abstract: For its beautiful colors, dry- green jade is very popular and has an important role in jewelry market. In 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 hornblende and kiosk ocher, but which also contains a lot of mica that rarely appears in jade. So, considering the formation Conditions 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; Hornblende; Mineral characteristic; Jade ore deposits 1断裂力学的形成与发展 断裂力学起源于20世纪初期, 发展于20世纪后期, 是一门研究

断裂力学和断裂韧性

断裂力学与断裂韧性 3.1 概述 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！ 按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ], 就被认为是安全的了。而[σ]，对塑性材料[σ]=σ s /n，对脆性材料[σ]=σ b /n， 其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 3.2.1 理论断裂强度

金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方 为吸引力下方为斥力，当两原子间 距为a即点阵常数时，原子处于平 衡位置，原子间的作用力为零。如 金属受拉伸离开平衡位置，位移越 大需克服的引力越大，引力和位移 的关系如以正弦函数关系表示，当 位移达到X m 时吸力最大以σ c 表示， 拉力超过此值以后，引力逐渐减小， 在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏， 达到完全分离的程度。可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σ c 。该力和位移的关系为 图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。分离后形成两个新表面，表面能为。 可得出。 若以=，=代入，可算出。 3.2.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多，粗略言之，至少 低一个数量级，即 。 陶瓷、玻璃的实际断裂强度则更低。