（固体力学专业论文）利用CFRC的功能特性检测混凝土的损伤.pdf

武汉理下大学倾士论文 摘要 本论文的研究课题来源于国家自然科学基金重点项目机敏混凝土及其 结构( 项目编号：5 0 2 3 8 0 4 0 ) 。 进入2 1 世纪，人类对于重大工程的长期安全的检测与监控提出了越来越高 的要求，没有长期安全检测与监控的重大工程是人类所不能接受的工程。大型结 构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋 采油平台及港口设施等的损伤积累和灾变行为日趋突出。混凝土是土木工程中应 用最广泛的结构材料，混凝土结构除受到外界载荷影响外，还面临着钢筋锈蚀、 冻害、环境侵蚀等三大问题，而重大工程结构和生命线系统的使用期长达几十年、 甚至上百年，载荷的疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等灾变因素的耦合作用将不 可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下 降、甚至引发灾难性的突发事故。因此，重大土木工程结构和基础设施的健康监 测已成为土木工程领域的重要研究课题。 碳纤维增强混凝土( c f r c ) 是在普通混凝土中掺入少量的导电相一一碳纤 维，可以极大地改善其导电性能，并具备了某些功能特性。c f r c 比普通混凝土 有更好的力学性能和抗冻融性能以及低干缩性。功能特性主要有：压敏性、温敏 性、热电效应、力电效应等。当c f r c 发生损伤时它的电阻会发生变化。此时水 泥浆体产生微裂纹，碳纤维折断，碳纤维与水泥浆体之间的接触减弱，使电阻值不 可逆的增大。利用c f r c 电阻的损伤响应可以来检测混凝土损伤的发生及发展情 况。 本文的主要研究成果如下： 1 ，混凝土局部损伤的检测。考察了在单调压缩、循环压缩和蠕变三种加载 条件下碳纤维混凝土的损伤，用材料电阻率变化和红外热像技术分析了构件压缩 变形的不均匀性，并与用应变片测量迸行了比较。结果表碍：利用c f r c 的导电 性扩展了材料局部化破坏检测的手段，用电阻率变化和红外热像技术分析不损坏 试样，直观，精度高，为混凝土结构的健康诊断提供了新的方法。同时通过混凝 土构件在受单轴压缩时存在应变不均匀性问题，指出应变标距的选择与材料刚度 的关系，应变梯度与损伤的关系。为准确测试岩石、混凝土等材料的基本力学性 能提供依据。 2 ，进行了混凝土残余寿命的预测。碳纤维混凝的电阻变化与损伤有一定 的对应关系，混凝土构件在服役过程中损伤累积导致其电阻不可逆的增大，通过 武汉理t 大学颤 论文 理论分析和实验论述了监测混凝土构件电阻的变化来预测混凝土的残余寿命是 可行的。 3 ，研究了混凝土的冻融损伤。通过在不同冻融循环下对c f r c 试块电阻的 检测，研究混凝土试块在冻融循环中损伤的发展过程，并分析混凝土试样在冻融 条件下发生损伤的机理，为混凝土冻融耐久性研究提供一些依据。指出混凝土在 冻融条件下，损伤的发展主要是由于混凝土内部存在温差而引起的。同时对于融 雪化冰过程中，研究长时间通电对于混凝土结构自身的影响，并找出了通电的闽 值，可以尽量减少通电过程对于混凝土自身的服役条件的恶化。 4 ，评价了混凝土结构的修补质量。本文用碳纤维增强水泥以及碳纤维毡作 为修补材料，根据修补材料电阻值的变化，判断修补材料与待修补混凝土结构结 合的紧密程度，从而评价修补效果。同时，对试样用红外热像的技术分析了两者 之间的结合程度。表明了电阻的变化可以反映新旧混凝土界面之阃结合情况。 本文的研究成果，为利用c f r c 的功能特性监测混凝土结构的损伤提供了新 的途径，对智能混凝土的发展有利。 关键词：碳纤维混凝土；电阻；损伤；残余寿命；冻融；界面 武汉理1 人学硕士论文 a b s t r a c t a st h ee n t r a n c eo f2 1c e n t u r i e s ，t h eh u m a n k i n ds e th j g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t s o nt h el o n g t i m em o n i t o r i n go ft h es a f e t yo ft h eg r a n dp r o j e c t s t h ep r o j e c t sw i t h o u t t h el o n g t i m ed e t e c t i o na n dm o n i t o r i n go ns a f e t yw o u l d n tb ea c c e p t e db yp e o p l e t h e b e h a v i o ro fd a m a g ea c c u m u l a t i o n sa n dc a l a m i t yi nl a r g e - s c a l es t r u c t u r e sa n di n f r a - s t r u c t u r e s ，s u c ha s b r i d g e s ，s k y s c r a p e r ，l o n g s p a n d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e s ，b i g d a m s ，n u c l e a rp o w e rp l a n t ，o c e a n i co i le x t m c t i o nf l a t s ，p o r te s t a b l i s h m e n t s e t c ， b e c o m em o r es e r i o u s c o n c r e t ei st h em o s ta p p l i e ds t r u c t u r a lm a t e r i a l si nc i v i le n g i n e e r i n g b e s i d e st h e i n f l u e n c eo ft h ee x o t e r i cl o a d s ，t h ec o n c r e t es t r u c t u r e sa r ec o n f r o n t e dw i t ht h et h r e e b i gp r o b l e m ，s u c ha st h er u s to fr e i n f o r c i n gs t e e lb a r ，t h ed a m a g ec a u s e db yf r e e z i n g ， a n de n v i r o n m e n t a lc o r r o s i o n h o w e v e rt h el i f e b l o o do ft h ep r o j e c t s s t r u c t u r e sc a nr e a c hs c o r e so fy e a r s , e v e nt o o n eh u n d r e dy e a r t h ec o u p l i n ge f f e c t so ft h ef a c t o r sc a u s e db yc a l a m i t yw h i c h c o n c l u d et h el o a d sf a t i g u ee f f e c te n v i r o n m e n t a lc o r r o s i o n ，a n dm a t e r i a la g i n g ，w o u l d u n a v o i d a b l yr e s u l ti nt h ed a m a g ea c c u m u l a t i o n sa n d a t t e n u a t i o no fr e s i s t a n c e ，a n d t h e r e f o r ew o u l dd e c r e a s et h ea b i l i t yt or e s i s tn a t u r a lc a l a m i t y ，a n de v e nc a nc a u s et h e d i s a s t r o u ss u d d e na c c i d e n t s ot h em o n i t o r i n go ft h eg r a n dc i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s a n di n f r a s t r u c t u r e sh a v eb e c o m et h ei m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t si nt h ef i e l do fc i v i l e n g i n e e r i n g c a r b o nh b e ri nc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec a nh u g e l yi m p r o v et h e p r o p e r t i e so fc o n d u c t i o no ft h ec o n c r e t e c f r ch a st h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， f r e e z e - t h a wr e s i s t a n c ea n d t o wd r y i n gs h r i n k a g et h a nc o m m o nc o n c r e t e c f r c p o s s e s ss o m ef u n c t i o n a lp e r f o r m a n c e sw h i c hc o n c l u d e sp r e s s u r e s e n s i t i v ep r o p e r t y ， t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v ep r o p e r t y ，t h e r m o e l e c t r i ce f f e c t ，m e c h a n i c a l - e l e c t r i ce f f e c t ，a n d s oo n w h e nd a m a g eo c c u r si nc f r c ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ew i l lc h a n g e a tt h es a m e t i m em i c r o s c o p i cc r a c ka p p e a r si nc e m e n tp a s t e ，c a r b o nf i b e r sb r e a ka n dt h e d e c r e a s ei nt h ec o n t a c tb e t w e e nt h es h o r tc a r b o nf i b e ra n dc e m e n to c c u r s ，w h i c hm a k e t h er e s i s t a n c ei n c r e a s ei r r e v o c a b l y b yu s i n gt h ed a m a g er e s p o n s et ot h ee l e c t r i cr e s i s t a n c eo fc f r c ，w e c a nd e t e c t 武汉理i 大学硕i 论艾 t h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed a m a g ei nt h ec o n c r e t e t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h ep r e s e n tp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w ： 1 d e t e c t i o nt ol o c a ld a m a g ei nc o n c r e t eh a sb e e nd o n e w ee x a m i n et h ed a m a g e u n d e rt h r e ec o n d i t i o n st h a tc o n c l u d e s c o m p r e s s i o n ，c y c l i cc o m p r e s s i o na n dc r e e p ； n s et h ec h a n g eo fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c ea n dt h ei n f r a r e dt h e r m o g r a p h yt oc h e c kt h e d a m a g e t oa n a l y z et h ei r t h o m o g e n e i t yo fc o m p o n e n t s c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n ，a n d c o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h a to fs t r a i ng a u g em e a s u r e m e n t t h er e s u l t ss h o w ，u s i n g t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fc f r cc a ne x p a n dt h em e a l l st od e t e c tt h el o c a ld a m a g e i nm a t e r i a l s ，a n du s i n gt h ec h a n g eo f e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dt h ei n f r a r e d t h e r m o g r a p h yt oc h e c k t h ed a m a g ec a n p r o t e c tt h es a m p l ef r o mb e i n gd a m a g e d ，a n d t h em e t h o di si n t u i t i o n i s t i ca n dh i g h - a c c u r a c y i ti san e wm e t h o dt od e t e c tt h e c o n c r e t es t r u c t u r e s s i m u l t a n e i t y ，a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o nt h a tu n h o m o g e n e i t yo f s t r a i ne x i s t si nt h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o no fc o n c r e t ec o m p o n e n t s ，w ec a l lp o i n to u tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg a g el e n g t ho fs t r e s sa n dm a t e r i a l s r i g i d i t y ，s t r a i ng r a d i e n t a n dd a m a g e t h ed a t ao f f e rb a s i sf o ra c c u r a t e l yt e s tt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h em a t e r i a l ss u c ha s , r o c k s ，c o n c r e t e sa n ds oo n 2 f o r e c a s to ft h er e l i cl i f e - s p a no fc o n c r e t ei sc a r r i e do u t t h e r ee x i s ts o m ec e r t a i n c o i n c i d e n c er e l a t i o nb e t w e e ni nt h e c h a n g eo fc f r c se l e c t r i c a lr e s i s t a n c e d u r i n gt h e s e r v i c ep r o c e 姆o ft h ec o n c r e t ec o m p o n e n t ，t h ea c c u m u l a t i o no fd a m a g ec a ni n d u c e t h a tt h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ei n c r e a s ei r r e v o c a b l y b yu s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t sd i s c u s s i o n ，i ti sv i a b l et h a tm o n i t o r i n gt h ec h a n g eo f h ee l e c t r i c a l r e s i s t a n c ec a nf o r e c a s tt h er e l i cl i f e - s p a no ft h ec o n c r e t e 3 r e s e a r c ha b o u td a m a g ei nf r e e z e t h a wi sd o n e b yt h ee x a m i n a t i o nt ot e s t b l o c ko fc f r cu n d e rd i f f e r e n tf r e e z e t h a w s ，w es t u d yt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h e t e s tb l o c ki nf r e e z e - t h a w ，a n a l y z et h em e c h a n i s mh o wt h ed a m a g eo fc o n c r e t es a m p l e o c c l 1 r s ，a n ds u p p l ys o m eb a s i sf o rt h er e s e a r c ho ft h ef r e e z e - t h a wd u r a b i l i t yo f c o n c r e t e t h er e s u l t st u r no u tt h a t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no ff r e e z e - t h a w ，t h ed a m a g eo f t h ec o n c r e t ei sm a i n l yr e s u l t e df r o mt h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ew h i c h h a p p e n s i n s i d et h ec o n c r e t e d u r i n gt h ep r o c e s so fs n o wm e l t i n g ，w es t u d yh o w l o n g t i m e e n e r g i z i n ga f f e c tt h es t r u c t u r eo fc o n c r e t e ，a n df i n do u tt h et h r e s h o l dv a l u eo f e n e r g i z i n g ，w h i c hc a n r e d u c et h ed e t e r i o r a t i o nt oc o n c r e t e ss e r v i c ec o n d i t i o nd u r i n g 武汉理_ t 人学硕l 论文 t h ep r o c e s so fe n e r g l z m g 。 4 w ee s t i m a t et h ec o n c r e t es t r u c t u r e sq u a l i t yo fr e p a i r t h i sp a p e ru s et h ec a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dc e m e n ta n dc a r b o nf i b e rm a ta st h ep a t c h i n gm a t e r i a l ，a n da c c o r d i n g t ot h ec h a n g eo ft h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo fp a t c h i n gm a t e r i a l ，w ej u d g et h e c o m b i n a t i o nc o m p a c t n e s sb e t w e e nt h ep a t c h i n gm a t e r i a la n dn o n r e p a i rc o n c r e t e s t r u c t u r e s ，a n dt h e ne s t i m a t et h ee f f i c i e n c yo f p a t c h i n g w h a t sm o r e ，w eu s et h e i n f r a r e dt h e r m o g r a p h yt oc h e c kt h ed a m a g et oa n a l y z et h eq u a l i t yo fc o n t a c to ft w o p a r t s i ts h o w st h a t ，t h ec h a n g eo f e l e c t r i c a lr e s i s t a n c ec a nr e f l e c tt h es i t u a t i o no f c o n t a c tj nf h es u r f a c eb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t c s t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i sp a p e ro f f e r ss o m en e wa p p r o a c ht ou s ec f r c s f u n c t i o n a lp e r f o r m a n c et 0m o n i t o r i n gt h ed a m a g ei nc o n c r e t es t r u c t u r e s ，a n di si n f a v o ro ft h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n c r e t e s k e y w o r d ：c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( c f g c ) ；r e s i s t i v i t y ；d a m a g e ；r e m a i n i n g l i f e ；f r e e z e - t h a w ；i n t e r f a c e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的 规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工人学硕 j 论吏 1 日u 吾 1 1 损伤理论及研究方法 1 1 1 损伤理论发展史 损伤力学是固体力学的一个分支学科，产生于实际工程对基础学科的需求。 作为断裂力学的必要发展和重要补充，损伤理论是最近三十年来发展起来具有潜 力的新兴学科。1 9 5 8 年，k a c h a n o v “3 最早提出用连续性变量描述材料受损的连续 性能变化过程。其后r a b o t n o v 。1 为之推广，奠定了损伤力学的基础。但是此后损 伤一词被冷落了十年左右。直到7 0 年代，损伤概念再度受到重视，法国学者 l e m a i t r e 。1 将连续介质力学和热力学结合起来研究了损伤对金属的弹性和塑性 的影响。以后，瑞典的h u l t “1 、英国的l e c k i e ”3 研究了损伤和蠕变的偶合作用。 八十年代，日本的村上澄男等从微裂纹的尺寸和几何分布方面研究了损伤的方向 性和对材料力学性能的影响。还有k r a j c i n o v i c ，s i d o r o f f t ”3 等学者的工作为 损伤理论的形成和发展做出了重要的贡献。 1 9 8 1 年欧洲力学协会( e n r o m e c h ) 在法国的c a c h a n 召开了首次损伤力学国际 讨论会。同年，我国对损伤的研究开始。此后近2 0 年间，损伤理论蓬勃发展， 在宏观唯像学理论框架和材料损伤本构行为的复杂连续介质描述等方面都有了 较为成熟的研究成果。删。 目前，损伤力学的研究重点是损伤的宏、细、微观理论，这种研究证在成为 追踪材料从变形、损伤到失稳或破坏的全过程，以解决这一固体力学最本质难题 的主要途径。 1 1 2 损伤的研究方法 连续介质损伤理论研究的对象是含有连续分布缺陷的变形固体，研究的主要 目的是确定损伤连续场变量的演化规律。这就决定了损伤力学的研究方法是连续 系统力学体系下的手段和方法，如连续介质力学和研究耗散过程的不可逆热力 学。但是由于损伤场的形成实质上是材料细微观的变异，因此要了解损伤的成因 和其微结构形态和特征，又必须使用细观理论和材料学的方法。因此损伤的研究 方法大致可以分四种：宏观方法、细观方法、微观方法、统计学方法，另外宏、 细、微观相结合的方法也产生并得到发展。 1 ) 宏观方法 宏观方法也称唯像学方法。它是从材料的宏观现象出发并模拟宏观的力学行 为。方法的核心是在本构关系中引入损伤变量，采用带有损伤变量的本构关系来 武汉理 ：大学硕 淦支 真实地描述受损材料的宏观力学行为。这种方法的基础是连续介质力学和不可逆 热力学。由于损伤的机制不同和用来描述损伤场的变量不同，从而有可能得到不 同种描述损伤演化的方程。宏观方法由于是从宏观现象出发并模拟宏观力学行 为，所以方程及其参数的确定往往是半经验半理论的，其研究的结果也可直接地 用来分析实际情况，有明确的物理意义。缺陷是不能从细、微观结构层次上弄清 楚损伤的形态和变化。但是这种方法考虑的因素相对简单，便于建立方程，可以 满足工程需要。 2 ) 微观方法 主要从微观的角度来研究材料微结构( 微裂纹和微孔洞) 的形态和变化及其 对材料宏观力学性能的影响。研究损伤演变的物理机制，对建立宏观唯像学的力 学模型是十分必要的。透镜、扫描电镜的发明和近代实验力学方法、手段的发展 使得人们可以从分子或原子的微观尺度去观察损伤的物理现象。但现在微观结构 的变异和宏观的力学响应之间的相互关系和解释仍然是个难题，因此仅仅使用微 观方法很难解释宏观的现象并用于宏观现象的计算和分析。尽管如此，我们仍然 可以使用微观观察的现象来帮助解释损伤演变过程对宏观力学行为的影响。 3 ) 细观方法 根据研究的目的，选择适当尺寸的构元，对于构元可以看作均匀介质，而整 体材料是不均匀的，通过获得构元的损伤特性来解释材料或者结构的宏观破坏机 制。 4 ) 统计学方法 这种方法用统计学理论来研究结构或者材料中的损伤。在损伤的初期，微 裂纹、微空洞等缺陷是随机性的。这一阶段，损伤变量场可以抽象为一个具随机 性特征的场变量。因此可以用细观方法研究个体微缺陷，再用统计学方法归纳出 损伤场变异量。 本文采用的是宏观方法，因此介绍一下这种方法的的研究过程。宏观方法 大致分为四个阶段： 1 ) 选择合适的损伤变量。描述材料中损伤状态的场变量称为损伤变量，它属于 本构理论中的内部状态变量。从力学的角度上说损伤变量的选择应考虑如何与宏 观力学量建立联系并易于测量。一般的研究中宣采用弹性模量、屈服应力、拉伸 强度、延伸率、密度、电阻、超声波速度、声发射参量等作为宏观基准量。这些 基准量对损伤过程比较敏感，在实验室里易于测量。本文选取的参量为电阻。 2 武汉埋f 大学硕t 论业 2 ) 建立损伤演化方程。材料或者结构内部的损伤是随外界因素( 荷载、温度等) 作用的变化而变化的。为了描述损伤的发展，需要建立描述损伤演化的方程。选 取不同的损伤变量，损伤的演化方程是不一样的。 3 ) 建立考虑损伤的本构关系。损伤必定引起其刚度的变化，因此在本构方程罩 体现损伤的影响是很关键的，需要建立好含有损伤变量的本构关系。 4 ) 根据初始条件和边界条件来求解材料的各点应力、应变和损伤值。根据计算 得到的损伤值可以判断各点的损伤状态。在损伤值达到临界值时可以认为该体积 元破裂了，然后再根据新的损伤分布状态和新的边界条件，再作类似的反复计算， 至达到构件的破坏准则而终止。 1 1 3 损伤的分类 材料的变形和损伤是不可以分害4 的，因此按材料变形的性质和状况，可以将 损伤分为以下几类： 1 ) 弹性损伤，弹性损伤是由应力在弹性材料的作用中而产生的。材料发生损伤 后，没有明显的不可逆变形，所以又是脆弹性损伤。如高强度混凝土、岩石等材 料产生的损伤。 2 ) 弹塑性损伤，弹塑性材料中出应力作用而引起的损伤。材料损伤时，同时产 生残余变形。如中强度混凝土、复合材料等工程材料出现的损伤。 3 ) 循环损伤，这类损伤由应力的重复而引起的，并为循环次数的函数。根据应 力水平的不同，又可以分低周疲劳损伤和高周疲劳损伤。 4 ) 蠕变损伤，材料在蠕变的过程中产生的损伤，有时也称为粘塑性损伤。在给 定温度下，这类损伤是时间的函数。对于混凝土而言，即使在常温下，恒定的应 力会引起蠕变( 或称徐变) 而产生损伤。 5 ) 动力损伤也称剥落损伤，在冲击荷载和高速荷载作用下产生的弹性损伤和弹 塑性损伤。 以上的损伤类型不是相互独立的，本文结合课题要求，研究的是混凝土材料 在不同受力状态下的弹性损伤。 1 2 混凝土的损伤及损伤检测 1 2 1 混凝土损伤研究现状 自从d o u g j l l “2 1 首次将损伤理论用在混凝的研究中后，大量学者加入到对 混凝士的损伤研究的大军中。形成了大量成熟的思想理论。主要集中在对混凝t 3 武汉埋1 凡学硕l 论支 损伤本构模型的研究和疲劳累积损伤的研究两个方面。对于材料的力学性能的研 究是通过本构关系来实现的。材料的本构行为包括变形、损伤和断裂三个方。 材料的变形引起损伤的发展，损伤的演化导致断裂，而材料的变形性能又与损伤 演化相互祸合，对于混凝土材料，想一次性的建立一个能够适应一切加载条件和 充分考虑各种内、外部作用的完善的损伤本构模型显然是困难的。因此人们在进 行一定的假设和近似之后，遵循了从单向受力损伤到多相受力损伤：从静力损伤 剑动力损伤：从完全弹性损伤到弹塑性损伤：从各向同性损伤到各向异性损伤的 研究思路，通过理论和实验相结合的方法，逐步使理论和实际相符合。 在对金属损伤研究基础上适当的考虑混凝士类材料的特性而发展起来的静 力损伤模型有m a z a r s 损伤模型“，s i d o r o f f 损伤“，l o l a n d 损伤模型“ k r a j c i n o v i c 损伤模型“”等等。大连理工大学宋玉谱教授针对m a z a r s 建立的内 时理论模型基本方程引用的参数多，不便于实际应用等缺点，将内时理论与损伤 力学结合起来，考虑混凝土在拉压不同应力状态下微裂纹发展状态不同建立了内 时损伤本构模型。大连理工大学途静洲博士定用抗拉、抗压强度的劣化定义损伤 变量，并通过实验研究了单调加载历史、循环加载历史、不同图压条件下的损伤、 产生、发展的一些规律，并拟合曲线得到损伤演化方程。研究表明，混凝土在受 到外界作用之前，由内部的微缺陷导致的初始损伤是各向同性的，而且从宏观平 均的角度来看混凝土的力学性质也是各向同性的。但是随着受到外部荷载和环境 的作用后，变形的累计和局部的应力集中引起损伤的演化，这种损伤是各向异性 的，损伤的主方向和应力的主要方向是一致的，并且损伤导致了材料的各向异性。 己有的各向同性损伤在复杂应力状态下的误差性正说明了这点。因此把发展既具 有较强的预测能力又适用于各向异性损伤衡定的损伤模型作为重要的研究方向 之一。从目前来看基于能量理论建立的模型具有很大的发展潜力，但是距离真证 的解决实际问题还有一段距离。 相对予静态破坏混凝土的动态破坏更为常见；混凝土的动态损伤主要分两类 一类是结构受周期性循环荷载作用，如地震荷载、风荷载、波浪荷载、汽车荷载 等。这类损伤应该归结为结构疲劳损伤的研究，关键的问题是损伤累计。第二类 损伤是结构受到加载速率很大的荷载( 如冲击等) 作用时的动力损伤。相对于第一 种动力损伤来讲，第二中动损伤研究国内外的研究不是很多，因为它的损伤本构 复杂，并且实验难度也很大，部分学者作了一定的尝试。s a u r i s 建立了能够反 映应变率效应的损伤力学模型，b u i 建立的动态损伤断裂模型，b r o o k s 等利用“高 武汉理工人学硕七论交 心力体积概念”概念，通过拟合动力参数得到的动力损伤本构方程，李庆斌等基 丁双剪理论，利用混凝土的快速变形和标准静速条件下应力一应变类似的特点和 已有的静态损伤模型，进行一定的假设，推导出荦轴和复杂应力条件下的动力损 伤本构方程。可以说混凝土的动力损伤研究还处于起步阶段。徐变损伤也是混凝 上损伤研究的重要部分。从细观角度看，徐变是混凝土在持续荷载作用下，材料 中微裂纹的数量和长度的增加、扩展，导致材料劣化的过程，这正是损伤要研究 的内容，因此，损伤理论是研究混凝土徐变的重要力学工具。混凝土的疲劳性能 的研究有悠久的历史。从二十世纪初铁路钢筋混凝土桥梁的出现，人们就开始了 对其疲劳性能的研究。但在其后的8 0 多年里，由于绝大多数的结构采用了静载 作用的容许应力法进行设计，因此疲劳研究没有得到足够的重视。但是，另一方 面，随着混凝土结构的应用广泛化，一些新型结构和新型材料的出现，使得很多 结构或者构件，都处于复杂的重复性的高应力水平状态下，结构的破坏不可以忽 视。深入研究混凝土由于疲劳损伤累积而造成的损伤演化规律，包括疲劳变形发 展规律、刚度衰减规律和强度衰减规律等同样成为结构控制、维修和可靠度研究 的基础条件。当前对材料损伤累积的研究方法主要有两种，一种是通过疲劳实验 的方法，通过多级等幅疲劳实验的数据对s - n 曲线的拟合得到的带有经验性质的 累计损伤模型，分线性和非线性损伤累积两类模型。代表的线性模型有m i n e r 模型和m a n s o n 双线性模型。非线性模型有m a r o c o s t a r k e y 模型和h e n r y 模型等。 第二种就是基于连续介质力学建立损伤模型的方法。代表性的模型有c h a b o c h e 累积损伤模型l e m a i t r e 低高周累进损伤模型。另外由于混凝土结构在服役的 过程中承受的荷载是随机的，加之材料的内部组成的随机性，所以产生了概率累 积损伤的研究方法。 1 2 2 混凝土的损伤表征 一般混凝土在单轴受压时损伤发生的情况如下：随着竖向主应力的增加，微 裂缝不断产生、扩展，界面裂缝向砂浆中延伸，当到达峰值荷载时，裂缝数量、 宽度急剧增加，有些泥浆已经连在一起成为连续裂缝，而且绝大部分裂缝是平行 于加载方向的竖向裂缝，此时若卸载，裂缝将不再进步发展，损伤也就停止增 长。但在试块内部已经形成很多竖向裂缝和较少的侧向裂缝；但是这时若接着增 加荷载，混凝土内部的竖向裂缝将大量发展，进一步相互贯通，使混凝土开裂成 若干分离的小柱体而导致整体破坏，其应力一应变曲线呈现出明显的尖峰。一般 混凝士的体表损伤的特征为：出现了大量的纵向裂缝，并且伴有少量的横向裂缝。 而在损伤力学中迄今为止一直存在争议的问题，便是什么是损伤的表征? 什 么样的变量可作为损伤的变量? 由此而来的自然是如何用直接的或问接的、力学 的或物理学的方法来测量它们”1 。通常情况下，损伤变量从微观与宏观两个方 面可归纳为： 微观量度：孔洞的数目、长度、面积以及体积；孔洞的几何形状、排列与 定向；由孔洞的几何形状、排列与定向确定的有效面积。宏观量度：弹性常数、 蠕变率、应力与应变大小；屈服应力、拉伸强度；耐力限度、蠕变破坏时间；伸 长度；质量密度；电阻、超声波速与声发射。 常用损伤变量大致有四种类型即标量型、矢量型、二阶张量型和四阶张量型 i 1 9 2 1 o 混凝土损伤演化是微观裂隙的进一步扩展，可归纳如下：裂隙之间的混凝 桥是裂隙扩展的薄弱环节，因此裂隙扩展将沿着混凝土桥方向延伸扩展，即裂 隙沿自身平面方向扩展；裂隙扩展分两个阶段进行，即稳定扩展过程和失稳扩 展；在裂隙稳定扩展阶段，裂隙扩展阻力随裂隙扩展而增大。 研究表明，混凝土的损伤是在初始损伤的基础上累进性发展的，是不可逆的。 总之，混凝土是一种具有初始损伤的材料，混凝土损伤扩展过程实际上是混 凝土中的微孔隙、微裂纹的成核和扩展过程，而微孔隙、微裂纹的分布和扩展是 不规整的，损伤扩展使得新的损伤裂纹，空隙萌生，损伤的各向异性程度增大， 微裂隙的数目也不同程度的增加( 对加载过程，其增加速度越来越快) ，到试件 破坏，有少数微裂纹已贯通混凝土样。 1 2 3 混凝土的损伤检测 混凝土材料在土木建筑工程中得到广泛应用，由于其抗拉强度相对较小，可 能产生裂缝，或者施工振捣不足，内部存在蜂窝狗洞、或建筑物使用期长而碳化、 或预留试件不足与代表性不强、或施工期混凝土强度增长与建筑物的长期跟踪管 理等，都需要对结构物进行检测。现在对混凝士的检测一般是用声、光、电、磁 和射线等方法，测定有关混凝土性能方面的物理量，推定混凝土强度、密实性、 均匀性、以及存在的缺陷等。一般的检测方法包括回弹法、超声波法、射线法和 垂直反射法等，其中以回弹仪和超声仪为主要仪器的检测方法操作最为方便，使 用最为普及，是国内外学术界公认的基本检测技术。另外，在地球物理勘测中经 常采用地震波法和这些年发展起来并褥到应用的地质雷达法。 回弹法是在混凝土侧面或顶面( 底面) 均匀布置一定数量的测点，利用回弹仪 c 汉删丁大学颤士论史 测得混凝土的回弹值，并根据已知的测强曲线，以及混凝土抗压强度与混凝上表 面删弹值之间存在的统计相关关系，通过换算求得混凝土当前状态的强度。以检 验混凝上的质量和抗压强度。其优点在于：仪器构造简单，方法易于掌握；测试 工作有较好的灵活性，可以在结构物的任何部位迅速进行；适用于旋工现场对混 凝土的强度进行随机的、大量的检测。但是，回弹法反映的仅是混凝土表面1 0 1 5 m m 厚范围内的质量，即只能用于检测混凝土表面的质量。 超声波法是在被测体的表面或钻孔内布置一定的测点，利用低频超声波测混 凝土的波速，根据已知的标准状态的声速来检测混凝土的质量( 均匀性及内部缺 陷) 和强度。测量时，可在被测体的表面、相向的两对侧面进行对测，也可以钻 孔进行单孔或跨孔测量。其优点有：测试时超声脉冲穿透混凝土的全部厚度或较 深的内部混凝土，试验结果能够较好地反映被测结构物的质量；测试工作有较好 的灵活性；可以在同一部位进行多次重复测试；无需钻孔检测混凝土结构内部缺 陷。但是，超声波法测试数据受耦合条件和钢筋影响较明显。 垂直反射法是种极小偏移距离( 收发距离很小) 的反射方法，其工作原理是由 发射探头向混凝土块发射一声脉冲波，在波传播过程中遇到波阻抗有明显差异 ( 如架空、蜂窝等) 时将产生反射波而返回到混凝土表面被接收传感器接收。通过 对记录下的弹性波信号的振幅、相位、频率等进行分析，即可判断出混凝土中的 缺陷。该方法可在混凝土单表面进行，当向被探测对象激发一纵波时，传感器 所接收到的反射信号中只有纵波，不舍横波等其它类型的转换波，记录波型的成 份单一，资料分析十分简单。但它要求反射震源和接收检波器必须具有短余振特 性，并要解决好高频与大功率之间的矛盾。 雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线定向送 人地下，经过存在电性差异的混凝土反射后返回地面，被接收天线接收，电磁波 在混凝土传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过混凝土的电性与状态而 变化。当发射与接收天线以固定的间距沿测线同步移动时，就可以得到反映测线 以下混凝土缺陷分布情况的雷达图像。混凝土均一性差时( 如存在蜂窝、架空等) ， 这部分区域与周围混凝土电性差异增大，反射波增强；当其完整致密时，混凝土 性质相对均匀，反射波很弱。该方法可根据波形记录直接分析混凝土内部缺陷的 分布和形态，具有可视性：可根据探测深度、分辨率的要求选用不同频率的天线； 可在结构物表面进行，灵活性较好，在同一部位可进行