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[摘要]叙述了损伤力学的形成、应用及发展过程，并将损伤力学引入到工程技术的研究中，探讨了断裂和损伤理论的研究在混凝土结构中的应用。
[关键词]损伤力学 应力强度因子 静力损伤 动力损伤 弹塑性损伤 随机损伤 徐变损伤
1 前沿
损伤力学是固体力学的一个分支学科，是断裂力学的发展和补充，是研究含损伤的变形固体在外在因素作用下，损伤场的演化规律及其对材料力学性能的影响，是通过损伤变量的变化来描述材料或者结构从原生缺陷到形成宏观裂纹直至断裂的全过程。损伤力学这一概念最早Kaehanov 于1958 年提出，随后Rabotnov为之推广，奠定了损伤力学的基础。Dougill首次将损伤理论应用于混凝土研究中。混凝土开裂过程即损伤发展过程是连续的，并在很小的应力或应变下就已经产生微裂缝，另外，在荷载作用以前，混凝土内部既存在的微缺陷可以作为初始损伤来处理。
2 损伤理论在混凝土耐久性能中的研究及应用
应用众所周知， 混凝土的耐久性能， 即服役寿命对于混凝土结构而言较重要。因此各国学者和工程师们纷纷对其耐久性能通过各种试验方法和理论方法进行了大量研究，取得了一系列成果。近年来，各国学者利用损伤力学理论对混凝土耐久性能进行了一些研究，并获得了一定的研究成果。
3 冻融作用下损伤理论钢筋混凝土结构性能的研究
宋玉普等基于宏观损伤力学理论，分析了混凝土冻融损伤的可靠性，把混凝土结构冻融损伤近似看作由不同正负峰值温度差顺序作用产生的，提出了三参数Weibull损伤可靠度分析模型，并在混凝土损伤等效的基础上， 推导出冻融循环作用后混凝土剩余寿命计算公式。邹朝英等则开展了混凝土在冻融作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究，包括冻融作用对混凝土受压应力- 应变关系、劈裂抗拉性能、抗重复荷载性能的损伤影响，并根据工程中结构构件的实际工作状态，研究了压应力与冻融循环双重因子作用下混凝土的抗冻性能及力学性能衰减规律。试验现象表明，随着冻融循环次数的增多，混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗重复荷载性能等力学性能指标的下降程度均逐渐加大，并根据试验结果得出了混凝土上述各项力学性能指标随冻融作用的退化规律，建立了与冻融参数相关的退化计算公式。在疲劳损伤基本原理的基础上，刘荣桂等对预应力混凝土在冻融循环作用下的损伤与失效过程进行了分析，利用混凝土冻融前后动弹性模量变化的规律建立了预应力混凝土冻融破环模型。
4 损伤理论在钢筋混凝土结构稳定性能中的研究应用
针对混凝土稳定性而言的损伤力学应用， 主要集中在混凝土结构由于长期荷载作用下而引起的徐变损伤方面的研究。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增加、扩展，从而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。N . Challamel等发展了混凝土性能随时间发展的一般软化模型，该模型可以预测不同应力水平下的徐变损伤。J. M. Tor rent i等利用损伤力学理论建立了关于混凝土溶蚀和徐变耦合作用下的模型， 通过该模型可以预测混凝土在溶蚀作用和抗压荷载作用下的服役寿命。李兆霞提出研究混凝土的压缩徐变损伤时不可忽视徐变泊松比的变化，而后，她在研究脆性材料损伤应变率效应时分析了各种应变率下脆性固体损伤的试验现象，从理论上探讨了材料内部损伤的应变率及其对材料变形响应的影响，用宏观综合方法提出了损伤的应变率效应理论，建立了考虑应变率效应的损伤本构模型，对徐变损伤的研究取得了很好的成果。
5 化学腐蚀作用下损伤理论混凝土结构性能的研究
B. Richard 等阐述了在腐蚀作用下钢筋混凝土界面模型的构建法则，同时基于连续损伤力学建立了三维模型。该模型可用于模拟腐蚀作用下混凝土界面性能的变化。J.Ozbolt 等基于损伤力学建立了三维数值模型，用该模型模拟了混凝土中毛细管水、氧气和氯离子的传输过程，并进一步阐述了钢筋混凝土中钢筋钝化膜的失钝过程和机理。陈朝晖等分别对受酸、无机盐、有机物和微生物等腐蚀作用的混凝土试块进行了单轴受压试验，采用应变率加载得到了混凝土的应力-应变全曲线。试验结果表明，受腐蚀混凝土由于腐蚀介质的物理化学作用，内部存在较一般混凝土更多、分布更不均匀的初始缺陷，导致弹性模量、峰值应力和残余变形能力降低，降低程度受腐蚀程度影响；腐蚀越严重的混凝土，加载过程中剥落现象越严重；主裂缝发展迅速，发育显著，而其他裂缝发展不明显。他们引入初始损伤因子表示腐蚀作用，应用损伤力学理论和概率统计方法建立了腐蚀混凝土单轴受压本构关系模型。张研等提出了一个新的混凝土化学-力学损伤耦合本构模型， 用各向同性损伤变量描述混凝土化学-力学损伤，分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程。研究表明，应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源。局部化学损伤出现时不能满足平衡微分方程。为了解决这个问题，采用了非局部损伤模型。
6 结束语
综上所述， 对混凝土结构和性能的研究还远远不能满足工程需要，尤其是当人们把重大工程灾变的防治和对重大工程的健康检测等这些对国计民生有重大影响的研究提到日程上时，作为基础的混凝土本构关系的研究更應该得到加强。今后在应用断裂力学和损伤力学理论研究混凝土性能时， 首先要定义准确、合适的损伤变量，如用微裂纹的密度给出损伤变量的定义；同时模型中要给出有试验依据的损伤变量演化公式，材料参数的选取要依赖于试验结果； 最重要的是，损伤模型要能真实反映材料的变形本质， 物理意义明确。一种合理的混凝土损伤模型应该简单、便于工程应用和推广，同时能在各种大型结构分析中得到不断的检测和完善。
参考文献
[1]王占桥. 纤维高强混凝土断裂性能的试验研究[ D] . 郑州： 郑州大学硕士论文， 2004. 13.
[2]李 勇. 断裂力学在混凝土中的应用及其尺寸效应[ J] . 浙江大学， 2004（ 8） ： 4- 8.
[3]宋玉普. 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则[ M] . 北京： 中国水利水电出版社， 2002
[4]逯静洲. 三轴受压混凝土损伤特性理论与实验研究[ D] . 大连： 大连理工大学， 2001
[5]范天佑. 断裂力学基础[ M] . 南京： 江苏科学技术出版社， 1978.
[6]陆毅中. 工程断裂力学[ M] . 西安： 西安交通大学出版社， 1987.
[7]康颖安. 湖南工程学院学报. 断裂力学的发展与研究现状， 2006.
[8]沈成康. 断裂力学[ M] . 上海： 同济大学出版社， 1996.
[关键词]损伤力学 应力强度因子 静力损伤 动力损伤 弹塑性损伤 随机损伤 徐变损伤
1 前沿
损伤力学是固体力学的一个分支学科，是断裂力学的发展和补充，是研究含损伤的变形固体在外在因素作用下，损伤场的演化规律及其对材料力学性能的影响，是通过损伤变量的变化来描述材料或者结构从原生缺陷到形成宏观裂纹直至断裂的全过程。损伤力学这一概念最早Kaehanov 于1958 年提出，随后Rabotnov为之推广，奠定了损伤力学的基础。Dougill首次将损伤理论应用于混凝土研究中。混凝土开裂过程即损伤发展过程是连续的，并在很小的应力或应变下就已经产生微裂缝，另外，在荷载作用以前，混凝土内部既存在的微缺陷可以作为初始损伤来处理。
2 损伤理论在混凝土耐久性能中的研究及应用
应用众所周知， 混凝土的耐久性能， 即服役寿命对于混凝土结构而言较重要。因此各国学者和工程师们纷纷对其耐久性能通过各种试验方法和理论方法进行了大量研究，取得了一系列成果。近年来，各国学者利用损伤力学理论对混凝土耐久性能进行了一些研究，并获得了一定的研究成果。
3 冻融作用下损伤理论钢筋混凝土结构性能的研究
宋玉普等基于宏观损伤力学理论，分析了混凝土冻融损伤的可靠性，把混凝土结构冻融损伤近似看作由不同正负峰值温度差顺序作用产生的，提出了三参数Weibull损伤可靠度分析模型，并在混凝土损伤等效的基础上， 推导出冻融循环作用后混凝土剩余寿命计算公式。邹朝英等则开展了混凝土在冻融作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究，包括冻融作用对混凝土受压应力- 应变关系、劈裂抗拉性能、抗重复荷载性能的损伤影响，并根据工程中结构构件的实际工作状态，研究了压应力与冻融循环双重因子作用下混凝土的抗冻性能及力学性能衰减规律。试验现象表明，随着冻融循环次数的增多，混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗重复荷载性能等力学性能指标的下降程度均逐渐加大，并根据试验结果得出了混凝土上述各项力学性能指标随冻融作用的退化规律，建立了与冻融参数相关的退化计算公式。在疲劳损伤基本原理的基础上，刘荣桂等对预应力混凝土在冻融循环作用下的损伤与失效过程进行了分析，利用混凝土冻融前后动弹性模量变化的规律建立了预应力混凝土冻融破环模型。
4 损伤理论在钢筋混凝土结构稳定性能中的研究应用
针对混凝土稳定性而言的损伤力学应用， 主要集中在混凝土结构由于长期荷载作用下而引起的徐变损伤方面的研究。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增加、扩展，从而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。N . Challamel等发展了混凝土性能随时间发展的一般软化模型，该模型可以预测不同应力水平下的徐变损伤。J. M. Tor rent i等利用损伤力学理论建立了关于混凝土溶蚀和徐变耦合作用下的模型， 通过该模型可以预测混凝土在溶蚀作用和抗压荷载作用下的服役寿命。李兆霞提出研究混凝土的压缩徐变损伤时不可忽视徐变泊松比的变化，而后，她在研究脆性材料损伤应变率效应时分析了各种应变率下脆性固体损伤的试验现象，从理论上探讨了材料内部损伤的应变率及其对材料变形响应的影响，用宏观综合方法提出了损伤的应变率效应理论，建立了考虑应变率效应的损伤本构模型，对徐变损伤的研究取得了很好的成果。
5 化学腐蚀作用下损伤理论混凝土结构性能的研究
B. Richard 等阐述了在腐蚀作用下钢筋混凝土界面模型的构建法则，同时基于连续损伤力学建立了三维模型。该模型可用于模拟腐蚀作用下混凝土界面性能的变化。J.Ozbolt 等基于损伤力学建立了三维数值模型，用该模型模拟了混凝土中毛细管水、氧气和氯离子的传输过程，并进一步阐述了钢筋混凝土中钢筋钝化膜的失钝过程和机理。陈朝晖等分别对受酸、无机盐、有机物和微生物等腐蚀作用的混凝土试块进行了单轴受压试验，采用应变率加载得到了混凝土的应力-应变全曲线。试验结果表明，受腐蚀混凝土由于腐蚀介质的物理化学作用，内部存在较一般混凝土更多、分布更不均匀的初始缺陷，导致弹性模量、峰值应力和残余变形能力降低，降低程度受腐蚀程度影响；腐蚀越严重的混凝土，加载过程中剥落现象越严重；主裂缝发展迅速，发育显著，而其他裂缝发展不明显。他们引入初始损伤因子表示腐蚀作用，应用损伤力学理论和概率统计方法建立了腐蚀混凝土单轴受压本构关系模型。张研等提出了一个新的混凝土化学-力学损伤耦合本构模型， 用各向同性损伤变量描述混凝土化学-力学损伤，分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程。研究表明，应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源。局部化学损伤出现时不能满足平衡微分方程。为了解决这个问题，采用了非局部损伤模型。
6 结束语
综上所述， 对混凝土结构和性能的研究还远远不能满足工程需要，尤其是当人们把重大工程灾变的防治和对重大工程的健康检测等这些对国计民生有重大影响的研究提到日程上时，作为基础的混凝土本构关系的研究更應该得到加强。今后在应用断裂力学和损伤力学理论研究混凝土性能时， 首先要定义准确、合适的损伤变量，如用微裂纹的密度给出损伤变量的定义；同时模型中要给出有试验依据的损伤变量演化公式，材料参数的选取要依赖于试验结果； 最重要的是，损伤模型要能真实反映材料的变形本质， 物理意义明确。一种合理的混凝土损伤模型应该简单、便于工程应用和推广，同时能在各种大型结构分析中得到不断的检测和完善。
参考文献
[1]王占桥. 纤维高强混凝土断裂性能的试验研究[ D] . 郑州： 郑州大学硕士论文， 2004. 13.
[2]李 勇. 断裂力学在混凝土中的应用及其尺寸效应[ J] . 浙江大学， 2004（ 8） ： 4- 8.
[3]宋玉普. 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则[ M] . 北京： 中国水利水电出版社， 2002
[4]逯静洲. 三轴受压混凝土损伤特性理论与实验研究[ D] . 大连： 大连理工大学， 2001
[5]范天佑. 断裂力学基础[ M] . 南京： 江苏科学技术出版社， 1978.
[6]陆毅中. 工程断裂力学[ M] . 西安： 西安交通大学出版社， 1987.
[7]康颖安. 湖南工程学院学报. 断裂力学的发展与研究现状， 2006.
[8]沈成康. 断裂力学[ M] . 上海： 同济大学出版社， 1996.