2024年11月4日，__博士在土木工程学院报告厅给我们土木学子做了题为《fracture and materials parameters of concrete》的讲座。在讲座中，__博士以渊博的知识和丰富的经验，详细而又深刻地讲解了混凝土断裂力学的产生、发展及研究现状。通过这次讲座，我对混凝土的断裂力学有了如下几个方面的认识：
断裂力学是固体力学的一个分支，主要研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律。它萌芽于20世纪20年代griffith对玻璃低应力脆断的研究。之后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进这方面的研究，并于50年代开始形成断裂力学。
断裂力学出现后，土木工程师就想到能否利用断裂力学的概念研究混凝土破坏机理和宏观裂纹的稳定性质。neville最先把griffith理论应用于混凝土，他认为试件尺寸对于强度的影响与混凝土中随机分布的裂纹有关。kaplan首先将断裂力学的概念引用到混凝土中，并进行了混凝土断裂韧度试验。
此后几十年，研究人员进行了大量的试验研究，目前已形成一套研究混凝土裂缝稳定性的方法，这就是混凝土断裂力学，它吸收了适合混凝土的那部分金属断裂力学方法，也创造了专门分析混凝土裂缝稳定性的方法。
材料和结构断裂破坏是由于新裂纹萌发或已存裂纹的扩展而引起的一个破坏过程。通过微型试验机和扫描电镜可以发现，混凝土在受力后要产生损伤，裂纹尖端往往通过界面微裂纹，绕过骨料，随着荷载增加逐步扩展，最后贯通，从而导致混凝土的断裂。
从国内外已有的试验资料可知：混凝土是典型的非均匀材料，其中含有微裂纹，甚至有宏观缺陷，如裂纹、夹渣、气泡、孔穴、偏析等。混凝土的强度、变形和破坏的性能，往往与裂纹的扩展有关。
混凝土在承受荷载以前存在裂纹，这些裂纹大致可以分为两种类型：随机分布的微裂纹，它在一定程度上控制着混凝土抗拉和抗压等宏观强度；方向一定的宏观裂纹，它有时使得混凝土力学性质呈现各相同性。混凝土类材料的断裂过程受控于其中原有的微裂纹，微裂纹一方面影响宏观裂纹的萌生过程，另一方面对主裂纹产生屏蔽与劣化的双重作用。
混凝土的破坏是由于对象体系中潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹，导致混凝土失稳破裂的过程。简而言之，混凝土的破坏实质就是裂纹产生、扩展从而导致失稳的过程。
由于混凝土的损伤与断裂过程与其中含有的微裂纹有关，因此混凝土对拉应力特别敏感，是一种脆性材料。尽管如此，混凝土并不象典型的脆性材料——玻璃那么脆，其中的微裂纹具有稳定的扩展阶段，但混凝土又具有脆性材料的特征，所以，把其称为准脆性材料。因此，混凝土等准脆性材料在断裂前微裂缝扩展、汇合阶段所表现的力学行为是进行混凝土破坏过程研究时更关心的问题。
混凝土及其组成的承重结构在破坏时变形很微小，裂纹尖端几乎不产生塑性区，具有突发性，其破坏形态称为脆性破坏，所以，混凝土的破坏一般可称之为断裂。由于混凝土材料本身的非均匀性，使得其损伤与断裂过程更为复杂，如何对这种复杂的损伤断裂到失稳过程进行研究，一直是固体力学家百余年为之奋斗而尚未攻克的难题。
断裂力学主要研究这几个方面的内容：裂纹的起裂条件、裂纹在外部载荷和其他因素作用下的扩展过程和裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。另外，为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏；在一定荷载下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下，结构还有多长的寿命等。
线弹性断裂力学：主要应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂破坏准则，有两种分析裂缝稳定性的方法，即应力强度因子法和能量法。应力强度因子法认为，当缝端的应力强度因子小于材料抵抗裂缝扩展的阻力时，裂缝是稳定的；能量法则认为，如果在结构中的裂缝扩展单位内，整个结构系统能量下降率小于形成单位裂缝表面所需的能量时，则裂缝是稳定的。
两种分析方法相比较，能量法避开了缝端附近的应力场，根据裂缝扩展时整个结构系统能量的变化来判断裂缝的稳定性；而应力强度因子法则需分析缝端很小范围内的应力场和位移场，并以此来判断裂缝的稳定性。混凝土线弹性力学的方法与金属线弹性力学的方法完全相同。由于混凝土与金属二者性质的差异，使应用经典断裂力学研究混凝土材料所得到的结果往往与实际差异很大。
这种差异主要表现在以下几个方面：(1)经典的断裂力学(包括弹塑性断裂力学)研究处于均匀和各相同性体中的单个裂纹的断裂特性，而实际上混凝土表现出突出的非均匀性和连续性，并且其中往往存在无数个裂纹，裂纹扩展会出现分支或相互交叉。这样一来，线弹性断裂力学的某些概念就不再适用了。
(2)线弹性断裂力学判据仅能作为裂纹开始失稳扩展的判据，而且裂纹一经开裂就立即失稳扩展，但是，扩展过程的状态及其扩展路径如何，现有的断裂理论都无法作出有效的描述。因此，线弹性断裂力学只能给出断裂这个状态，无法研究整个断裂发生的全过程。(3)混凝土的破坏一般表现为较大的脆性，在裂纹端部没有塑性区，但存在较大的微裂纹区(称为过程区)，裂纹端部的亚临界扩展长度较大。
这种微裂纹区的形成机理与金属塑性区完全不同，所以，不能仿效弹塑性断裂力学的研究方法来研究混凝土断裂。
非线性断裂力学：主要应用弹性力学和塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则，适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。根据混凝土的变形特点，人们提出了许多宏观断裂模型来表征混凝土断裂的非线性。
在有限元数值分析中，人们还引入了分离型裂纹模型和分布型裂纹模型来模拟混凝土受拉开裂后。
所形成的裂纹。在分离型模型中，认为裂纹在相邻单元的边界面上形成，在相邻单元的混凝土达到开裂条件后，将其共同点断开，并在裂纹两边的混凝土单元引入各自的节点。当主应力相对于单元边界倾斜一定角度时，应调整单元边界方向，使形成的裂纹方向垂直于主应力方向。
分离型裂纹模型的缺点是对于计算前裂纹未知的一般情况，开裂后需要改变节点数目和单元形状，所以计算方法复杂，计算时间较长。分布型裂纹模型假定裂纹在单元内部形成。当单元内混凝土达到开裂条件后，就在垂直于主拉应力的方向产生裂纹。
该模型用无数穿过开裂单元的平行裂纹表示混凝土裂纹，垂直裂纹方向不再能承受拉应力，并假定产生裂纹后的混凝土仍然保持连续，但是要把混凝土看作是正交各向异性的材料。因此，在混凝土开裂后，根据单元的受力状态要进行其材料力学性质的调整，由于上述调整，在开裂的一瞬闻，单元失去平衡。因而，必须将不平衡的应力转换节点力重新分配，使其达到新的平衡。
混凝土开裂后，裂纹面材料按照相应的裂纹面本构关系来分析。
混凝土断裂力学的研究可以使人们更清楚地认识混凝土断裂过程的发生机制，为改善混凝土的力学性能和研制高性能混凝土提供力学依据。就其发展应用前景而言，主要有以下几个方面：
1)分析大体积混凝土中严重裂缝的稳定性，确定其危害性，判断工程加固的必要性和加固效果。由于缝端微裂缝区和稳定扩展长度相对于缝长和结构尺寸来说是很小的，可采用混凝土线弹性断裂力学。
2)研究梁、板、壳等有限尺寸建筑构件中严重裂缝的稳定性。目的同样是**加固的必要性和处理方法。由于相对构件尺寸来说，缝端微裂缝区和稳定扩展长度的尺寸很大，应当采用混凝土非线性断裂力学。
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