1 绪论

1.1 研究背景

混凝土是当代最主要的工程结构材料之一，混凝土结构在各类工程结构中占有主导地位，是当今世界上应用最广泛的结构型式。准确地描述混凝土材料强度与变形破坏规律是进行工程安全性和稳定性评价的理论基础。开展混凝土材料损伤破坏机理的研究，探寻科学合理的混凝土本构模型是一项非常重要的基础性前沿课题。

现今，随着混凝土材料应用于高坝、核电站安全壳、海洋平台和大跨度混凝土桥梁等复杂应用环境下的复杂结构，导致了许多新的工程和力学问题不断出现，特别对于高坝工程，这种矛盾尤为突出。当前我国的水利水电工程建设正处于一个高速发展的时期，其规模和难度已超出传统的设计理论和经验的范畴。我国正在和即将兴建一批300m级超高拱坝和200m级高混凝土重力坝。这些大坝多数位于强地震活动区。为了保障坝体的安全，就需要对坝体的应力状态有更深入的认识，对坝体的破坏形态有更准确的预测。混凝土材料的静动态特性及损伤破坏机理是当前大坝设计和抗震研究中的薄弱环节，由于本构模型和强度准则方面研究深度的不足，对大坝承载力的极限状态和安全评价还很难达到定量化的程度，这也是初等力学在大坝设计中仍发挥主要作用的原因之一。对于这些复杂结构，正确的分析是合理设计的前提，分析结果的正确性与可靠性首先取决于所采用的本构关系和破坏准则；传统的混凝土结构的分析和设计方法在一定程度上已经难于胜任现代这些复杂的混凝土结构的力学分析，因此对混凝土损伤破坏理论进行更深入的研究愈显必要。

20世纪60年代至今，有限元技术和现代计算技术的发展为大型结构的分析提供了一种有效的工具，极大提升了土木工程结构的设计水平，但作为混凝土结构非线性分析重要基础的本构关系的研究还相当落后。近20年来，在常规结构的线弹性分析与设计方面，基本不存在关键性障碍，但这并不意味着人类已经可以理想地反映、把握乃至控制设计结构的性能。针对混凝土结构进行的大量有限元分析的实践表明，单纯对混凝土结构进行线性分析所得的结果与实际情况相比往往会有很大的误差。基于结构层次弹性分析与构件层次的极限状态设计基本理念指导下的现行结构设计框架，仅是对混凝土结构性能的一种阶段性反映与现实选择。为了把握乃至控制设计结构，必须正确反映混凝土本质随机性与非线性特征，必须高度重视混凝土本构关系的研究。

经过多年的发展，人们对混凝土材料及其工程结构的研究和认知从线弹性力学发展到非线性、弹塑性及损伤断裂力学；从连续介质力学发展到非连续介质的离散力学；从均匀各向同性介质发展到非均质各向异性介质；从小变形假设发展到大变形破坏过程仿真；从宏观力学模型发展到探索细观（微观）力学行为的机制以及建立两者之间的等效关系等。在强调上述有关混凝土研究的诸多领域有了长足进展的同时，应该更加清醒地注意到，由于混凝土介质的几何、组分与本构关系的复杂性，已有的数值方法在工程实践中评判混凝土材料和结构的力学行为与安全状态方面仍处于初级的半经验的唯象阶段；缺乏对混凝土材料力学性能和损伤破坏机理正确的描述，一切数值分析都可能变为力学游戏。

到20世纪80年代初，关于混凝土本构关系的研究基本上是采用唯象学的经验统计方法。由于这种研究思想囿于宏观的本构实验研究范围，因此不可避免地存在一些重要缺陷。

（1）基于现象学的统计很难解释混凝土破坏机制得以形成的机理。由于这一约束，使得本构关系的研究很难适应于新型高性能混凝土材料的迅速发展。耗费大量人力、物力建立起来的经验性本构关系，会因为混凝土中某一组分的添加或缺失而失去用处，这不能不引起人们的警醒与深思。对于近期发展的高性能混凝土、纤维混凝土、轻质混凝土等的破坏准则尚需进行系统的实验和总结。

（2）试验技术阻碍着关于混凝土本构关系的研究，从早期试验机刚度问题的解决到近期多维加载技术的发展，人们几乎耗费了40年的时间。迄今为止，在多维全过程试验、加载路径等问题上仍然存在着难以克服的障碍。事实上，仅以多维强度准则研究而言，由于加载路径组合方式的多样性，同时开展针对非比例加载、多次重复加载、特殊环境加载（高温、冷冻）条件下的本构关系研究，从逻辑上即已构成组合爆炸问题。而若将定量的细观损伤机理研究与试验技术相结合，可以大大缓解上述问题的难度。

同时，混凝土作为人工合成的典型岩石类准脆性材料，其力学行为研究是现代计算固体力学中一个极具挑战性的领域。固体材料的损伤和破坏指在服役过程中，由于内部大量微损伤 （微裂纹或微孔洞）的萌生、扩展和连接，导致材料宏观力学性能的劣化直至最终失效。如何对这种复杂的损伤断裂到失稳的过程进行研究，一直是固体力学家百余年为之奋斗而尚未克服的难题。白以龙等指出，材料的损伤破坏问题可以和湍流问题并列，堪称力学中最复杂、最困难的两大难题，也是非线性科学中两个重要范例；Bazant和Chen很清楚地刻画了一张人类知识逐渐扩张的图 （图1.1）。虽然对材料损伤破坏及其本构关系已进行了多年、广泛的研究，但大多数基本问题仍未找到令人满意的答案。钱学森在 《物理力学讲义》中将其归入 “连基本概念也还不十分清楚的问题”。事实上，损伤问题跨越了固态物质从原子键断裂到固体出现宏观分离，其间存在高达100多倍的尺度差异，哪些尺度上的哪些因素对宏观破坏是不可忽略的重要因素，至今尚不十分清楚。因此，要探索解决问题的途径，就要从搞清楚基本概念开始，从了解材料的损伤和破坏过程中的特点入手。从固体破坏理论的整体角度考虑，混凝土作为人工合成的材料，具有同岩石、陶瓷等准脆性材料类似的非线性性质，人们可以控制和调配混凝土的组成，同其他天然材料相比，研究人员已对混凝土进行了更多细致的试验和理论研究工作，形成了丰富的研究成果。因此，固体破坏理论的研究将非常有可能最先从混凝土材料的损伤破坏机理研究中寻求突破。

图1.1 人类知识扩张透视图中的损伤力学（Bazant，1997）