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断裂力学原理的复合钢筋混凝土新结构研究论文 第一章 绪论 随着结构形式从砌体结构发展到钢筋混凝土结构，再从钢筋混凝土结构发展到预应力混凝土结构，结构的设计理论得到了极大的发展。随着这种发展，同时也产生了一些理论和应用问题，有待于进一步深入研究。 现行的混凝土结构设计理论存在如下问题： 对结构破坏过程缺乏深层次的研究 结构从“初始”建成到“破坏”有一个漫长的过程。现行混凝土结构理论也认为结构建成的“初始”状态存在着缺陷和微裂纹；但设计时仅考虑“破坏”状态时内力平衡来设计结构的承载力，这种处理问题的方式实际上忽略了破坏过程中损伤的累积和裂纹的发展。这种忽略“初始”至“破坏”漫长过程的研究，对结构的破坏过程和损坏程度不能作出更加全面和科学定量的描述，于是新结构设计便和旧结构改造各自“独立”了开来。只有对这一过程进行分析，才能了解损伤累积和裂纹扩展对结构工作特性的影响，从而对结构的状态作出更科学的判断，使新结构设计和旧结构加固改造这两种各自独立的理论和方法有机结合起来。有了对这一过程的认识，一方面，可以在新结构设计时，把减少、延缓开裂和破坏的发生作为重要因素进行考虑，设计出同时具有优良抗裂性能和超常承载力的新结构；另一方面，可以在结构加固改造时，考虑破坏过程和程度，以更科学的手段修复或增强结构。 分析手段仍停留在传统强度理论阶段 现行的结构设计理论基于的是传统力学的强度、刚度和稳定性理论，同时目前结构破坏状态的判断和破坏结构的加固改造技术也是基于传统的力学理论。传统的力学理论和分析手段，严格地说，对结构破坏的过程分析和对破坏结构的状况评价是不完全适用的，主要的是：传统力学不能计入损伤累积、裂纹发展在新建结构工作过程中的影响，所以不能对旧结构的破坏状况做出正确评价，因之将新、旧结构割裂了开来分别研究。断裂力学是在实践基础上发展形成的一门新兴力学学科，它是研究破坏的发生、发展及其判据的一门科学，能从新的角度对破坏进行深层次分析，描述破坏过程，评价损伤状况。断裂力学已在机械、航空等领域得到了广泛而成功的应用，在土木工程中的应用还很不充分。显然，对钢筋混凝土结构的研究仅仅停留在传统强度理论阶段还不够，必须引入新的理论和方法。 钢筋混凝土结构的抗裂性、耐久性和跨越能力差，为解决这一问题，预应力结构应运而生，得到了广泛的应用，目前，在较大跨经的结构中运用预应力几乎仍是唯一的选择。有没有增强结构抗裂、耐久性能和跨越能力的其他选择呢，答案是肯定的。 本文将从断裂力学角度，研究钢筋混凝土结构中裂纹的发生发展与结构破坏的联系，揭示钢筋混凝土结构破坏与裂纹发展之间的因果关系，并提出基于断裂力学原理的结构设计新思想，研究一种具有优良抗裂性能和超常承载力的复合钢筋混凝土新结构。本文的研究将丰富和充实现有钢筋混凝土结构设计理论，为结构向大跨、轻型发展提供新的方法。 1.1钢筋混凝土结构的破坏过程和裂纹发展的关系 钢筋混凝土结构的破坏过程和裂纹的发展有着极其密切的关系。下面用钢筋混凝土结构的适筋梁为例来对钢筋混凝土结构的破坏进行简要的分析。 1.1.1钢筋混凝土结构的破坏过程 钢筋混凝土结构的适筋梁在一次荷载作用下的破坏过程根据其荷载——位移曲线大致可分为以下几个阶段：第一阶段，梁没有宏观裂纹；第二阶段，梁体出现宏观裂纹，梁带裂纹工作；第三阶段，裂纹急剧开展，纵向受力钢筋的应力维持在屈服强度不变[1]-[8]（如图1.1[2][3]）。 图1.1：混凝土结构的荷载——位移曲线和破坏过程 实践表明：在不大的荷载作用下，结构受拉区开裂，裂纹出现后，钢筋混凝土结构仍能承受较大的荷载。一般情况下，钢筋混凝土结构都是带裂纹工作 [1]-[7]、[9]。 裂纹出现后，特别是宏观的裂纹出现后，结构的受力情况将产生很大的变化，这主要的表现在以下几个方面： 1）钢筋受力和所处状态的变化[1]-[7] 裂纹出现后，裂纹截面处的混凝土不再承受拉应力，在裂纹处截面内力矩的拉力完全由钢筋承受。而在没有裂纹的地方，拉力则由钢筋和混凝土共同承受，这样在裂纹处钢筋应力有一个较大变化——突然变大，钢筋的应变也随之增大。由于裂纹处混凝土不再参与受拉，混凝土的应变为零，结构中裂纹处钢筋和混凝土将不再协调变形，这就预示着钢筋和混凝土的粘结在裂纹附近遭到破坏[8]。粘结破坏的结果：一方面使裂纹处的混凝土由原来的一个整体变为破碎的联系不强的部分；另一方面，使钢筋在局部范围拉长很多，钢筋应力的增长较大。事实上，钢筋混凝土结构破坏时钢筋往往是在混凝土开裂处这些局部位置屈服，其他位置的钢筋并未充分地发挥强度。 在钢筋混凝土结构中存在着一个悖论：钢筋混凝土结构承载能力的发挥需要梁体内的钢筋受力较大，但是要达到这一点，裂纹必须首先出现，也即混凝土必须开裂。否则，钢筋的应力过小，不能起到应有的抵抗外荷载的作用。但是