1 緒論

1.1 研究背景

混凝土是當代最主要的工程結構材料之一，混凝土結構在各類工程結構中占有主導地位，是當今世界上應用最廣泛的結構型式。準確地描述混凝土材料強度與變形破壞規律是進行工程安全性和穩定性評價的理論基礎。開展混凝土材料損傷破壞機理的研究，探尋科學合理的混凝土本構模型是一項非常重要的基礎性前沿課題。

現今，隨著混凝土材料應用于高壩、核電站安全殼、海洋平臺和大跨度混凝土橋梁等復雜應用環境下的復雜結構，導致了許多新的工程和力學問題不斷出現，特別對于高壩工程，這種矛盾尤為突出。當前我國的水利水電工程建設正處于一個高速發展的時期，其規模和難度已超出傳統的設計理論和經驗的范疇。我國正在和即將興建一批300m級超高拱壩和200m級高混凝土重力壩。這些大壩多數位于強地震活動區。為了保障壩體的安全，就需要對壩體的應力狀態有更深入的認識，對壩體的破壞形態有更準確的預測。混凝土材料的靜動態特性及損傷破壞機理是當前大壩設計和抗震研究中的薄弱環節，由于本構模型和強度準則方面研究深度的不足，對大壩承載力的極限狀態和安全評價還很難達到定量化的程度，這也是初等力學在大壩設計中仍發揮主要作用的原因之一。對于這些復雜結構，正確的分析是合理設計的前提，分析結果的正確性與可靠性首先取決于所采用的本構關系和破壞準則；傳統的混凝土結構的分析和設計方法在一定程度上已經難于勝任現代這些復雜的混凝土結構的力學分析，因此對混凝土損傷破壞理論進行更深入的研究愈顯必要。

20世紀60年代至今，有限元技術和現代計算技術的發展為大型結構的分析提供了一種有效的工具，極大提升了土木工程結構的設計水平，但作為混凝土結構非線性分析重要基礎的本構關系的研究還相當落后。近20年來，在常規結構的線彈性分析與設計方面，基本不存在關鍵性障礙，但這并不意味著人類已經可以理想地反映、把握乃至控制設計結構的性能。針對混凝土結構進行的大量有限元分析的實踐表明，單純對混凝土結構進行線性分析所得的結果與實際情況相比往往會有很大的誤差。基于結構層次彈性分析與構件層次的極限狀態設計基本理念指導下的現行結構設計框架，僅是對混凝土結構性能的一種階段性反映與現實選擇。為了把握乃至控制設計結構，必須正確反映混凝土本質隨機性與非線性特征，必須高度重視混凝土本構關系的研究。

經過多年的發展，人們對混凝土材料及其工程結構的研究和認知從線彈性力學發展到非線性、彈塑性及損傷斷裂力學；從連續介質力學發展到非連續介質的離散力學；從均勻各向同性介質發展到非均質各向異性介質；從小變形假設發展到大變形破壞過程仿真；從宏觀力學模型發展到探索細觀（微觀）力學行為的機制以及建立兩者之間的等效關系等。在強調上述有關混凝土研究的諸多領域有了長足進展的同時，應該更加清醒地注意到，由于混凝土介質的幾何、組分與本構關系的復雜性，已有的數值方法在工程實踐中評判混凝土材料和結構的力學行為與安全狀態方面仍處于初級的半經驗的唯象階段；缺乏對混凝土材料力學性能和損傷破壞機理正確的描述，一切數值分析都可能變為力學游戲。

到20世紀80年代初，關于混凝土本構關系的研究基本上是采用唯象學的經驗統計方法。由于這種研究思想囿于宏觀的本構實驗研究范圍，因此不可避免地存在一些重要缺陷。

（1）基于現象學的統計很難解釋混凝土破壞機制得以形成的機理。由于這一約束，使得本構關系的研究很難適應于新型高性能混凝土材料的迅速發展。耗費大量人力、物力建立起來的經驗性本構關系，會因為混凝土中某一組分的添加或缺失而失去用處，這不能不引起人們的警醒與深思。對于近期發展的高性能混凝土、纖維混凝土、輕質混凝土等的破壞準則尚需進行系統的實驗和總結。

（2）試驗技術阻礙著關于混凝土本構關系的研究，從早期試驗機剛度問題的解決到近期多維加載技術的發展，人們幾乎耗費了40年的時間。迄今為止，在多維全過程試驗、加載路徑等問題上仍然存在著難以克服的障礙。事實上，僅以多維強度準則研究而言，由于加載路徑組合方式的多樣性，同時開展針對非比例加載、多次重復加載、特殊環境加載（高溫、冷凍）條件下的本構關系研究，從邏輯上即已構成組合爆炸問題。而若將定量的細觀損傷機理研究與試驗技術相結合，可以大大緩解上述問題的難度。

同時，混凝土作為人工合成的典型巖石類準脆性材料，其力學行為研究是現代計算固體力學中一個極具挑戰性的領域。固體材料的損傷和破壞指在服役過程中，由于內部大量微損傷 （微裂紋或微孔洞）的萌生、擴展和連接，導致材料宏觀力學性能的劣化直至最終失效。如何對這種復雜的損傷斷裂到失穩的過程進行研究，一直是固體力學家百余年為之奮斗而尚未克服的難題。白以龍等指出，材料的損傷破壞問題可以和湍流問題并列，堪稱力學中最復雜、最困難的兩大難題，也是非線性科學中兩個重要范例；Bazant和Chen很清楚地刻畫了一張人類知識逐漸擴張的圖 （圖1.1）。雖然對材料損傷破壞及其本構關系已進行了多年、廣泛的研究，但大多數基本問題仍未找到令人滿意的答案。錢學森在 《物理力學講義》中將其歸入 “連基本概念也還不十分清楚的問題”。事實上，損傷問題跨越了固態物質從原子鍵斷裂到固體出現宏觀分離，其間存在高達100多倍的尺度差異，哪些尺度上的哪些因素對宏觀破壞是不可忽略的重要因素，至今尚不十分清楚。因此，要探索解決問題的途徑，就要從搞清楚基本概念開始，從了解材料的損傷和破壞過程中的特點入手。從固體破壞理論的整體角度考慮，混凝土作為人工合成的材料，具有同巖石、陶瓷等準脆性材料類似的非線性性質，人們可以控制和調配混凝土的組成，同其他天然材料相比，研究人員已對混凝土進行了更多細致的試驗和理論研究工作，形成了豐富的研究成果。因此，固體破壞理論的研究將非常有可能最先從混凝土材料的損傷破壞機理研究中尋求突破。

圖1.1 人類知識擴張透視圖中的損傷力學（Bazant，1997）