工程材料损伤比强度理论

第一章绪论

1.1概述

混凝土材料具有原材料丰富、价格低廉、制作快捷、良好可塑性、高强耐久、性能易调等优点，在土木、水利、交通等工程领域中广泛应用，如房屋建筑、桥梁、混凝土坝、海洋工程、热电站、核电站等。随着混凝土材料技术的发展，再生骨料混凝土、轻骨料混凝土、钢纤维混凝土、钢纤维轻骨料混凝土、钢纤维高性能轻骨料混凝土、聚丙烯纤维混凝土、混杂纤维混凝土以及其他类型混凝土，在工业与民用建筑、抗爆、桥梁、水利等工程中得到应用。岩石作为建筑材料、工业原料、装饰材料等广泛应用于土木、水利、交通等工程领域，是人类应用最早的工程材料之一。铸铁具有成本低廉、生产简单、耐磨性和消震性优良、铸造性能好等优点，是常用的工程材料之一，在机械制造中应用广泛。

土木工程中的各向同性岩石和混凝土的力学性能相似，它们大多处于多轴复杂应力状态，机械工程中的铸铁主要处于二轴复杂应力状态。强度理论是研究复杂应力状态下工程材料是否破坏的理论，是工程结构强度分析的基础，具有重要的理论和工程实践意义。

1.2强度理论研究现状

早期的古典强度理论对工程材料破坏原因有明确的理论观点，其概念明确，表达式简单，参数少且易于确定，但难以准确反映复杂应力状态下土木工程材料的强度变化规律。18世纪库仑（Coulomb）提出了适用于砂土的强度理论，此后引领了众多学者对各类土木工程材料强度理论的研究。莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）强度理论得到各界广泛认可并大量应用，至今已有上百种基于各向同性假设的强度理论，总体包括八面体强度理论、双剪强度理论、单剪强度理论等理论体系，但现有理论仍存在一定的局限性或缺陷。

1.2.1古典强度理论

现有研究表明，古典强度理论难以准确反映复杂应力状态下混凝土与各向同性岩石的强度变化规律，古典强度理论主要包括以下四大强度理论[]。

（1）第一强度理论，又称为最大拉应力理论。该理论适用于脆性材料，仅考虑最大主拉应力对材料破坏的影响，认为材料承受的最大主拉应力达到某一极网值时即发生破坏。

（2）第二强度理论，又称为最大拉应变理论。该理论适用于脆性材料，认为材料所承受的最大主拉应变达到某一极限值时发生破坏。

（3）第三强度理论，又称为最大剪应力理论。该理论适用于低碳钢等塑性材料，认为材料所承受的最大剪应力达到某一极限值时发生塑性流动破坏。

（4）第四强度理论，即Mises屈服理论，或称为主应力理论，又称为八面体剪应力理论。该理论适用于塑性材料，认为材料所承受的统计平均剪应力或八面体剪应力达到某一极限值时屈服。

1.2.2现代强度理论

为方便论述，本书所有涉及强度理论的表达式，应力值统一规定受拉为正、受压为负，拉压子午线定义统一以A=0°时为拉子午线，0=60°时为压子午线；双剪强度理论体系中，反映中间主切应力以及相应面上正应力对材料破坏程度的参数b统一取为1：铸铁主要外干一轴应力状态，其强度理论不涉及拉压子午线和偏平面形状的论述。

1.八面体强度理论

1958年至今，八面体强度理论[2-32]各主要数学表达式及评述见表1-1，表中各强度准则的参数量为3～6。

由表1-1可知：

（1）八面体强度理论主要基于大量试验数据而对材料破坏包络面进行数学拟合，或根据材料破坏面几何形状特征给出数学表达式而对其中经验参数进行拟合。

（2）八面体强度理论的强度预测值与试验规律较一致，但缺乏物理意义且大多数八面体强度理论的三维破坏包络面顶点出现尖角。

（3）混凝土八面体强度理论的经验参数确定方法主要有应力特征点法和最小二乘法，前者参数确定简便而后者较为复杂，需根据大量数据拟合确定参数。

（4）各向同性岩石八面体强度理论的经验参数确定方法主要有应力特征点法和最小二乘法以及由岩石软硬程度和破碎程度确定。

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