破斷應(yīng)力簡介

破斷應(yīng)力是材料的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力達(dá)到極限。材料受力一旦超過強(qiáng)度極限，材料將會(huì)受到破壞，這里強(qiáng)度極限一般多指拉應(yīng)力極限和剪應(yīng)力極限，有時(shí)也指材料受壓強(qiáng)度極限，如混凝土經(jīng)常會(huì)因?yàn)槭軌簭?qiáng)度達(dá)到極限發(fā)生破斷。材料經(jīng)拉伸試驗(yàn)時(shí)，開始斷裂時(shí)在最小 橫截面積上所受到的真實(shí)應(yīng)力，也可以稱做破斷應(yīng)力。一般采用無缺口的 試樣經(jīng)拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力值。斷裂是材料受力后，在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力在分配，當(dāng)外加應(yīng)力的增加速率超過應(yīng)力再分配速率時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂，無任何先兆。

巖石的破壞過程總是伴隨著損傷（分布缺陷）和裂紋 (集中缺陷) 的交互擴(kuò)展，這種耦合效應(yīng)使得裂紋尖端附近區(qū)域材料必然具有更嚴(yán)重的分布缺陷。巖石的破壞，如脆性斷裂和塑性失穩(wěn)，雖然有突然發(fā)生的表面現(xiàn)象，但是，從材料損傷的發(fā)生、發(fā)展和演化直到出現(xiàn)宏觀的裂紋型缺陷，伴隨著裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展，是作為過程而展開的。經(jīng)典的斷裂力學(xué)廣泛研究的是裂紋及其擴(kuò)展規(guī)律問題。物體中的裂紋被理想化為一光滑的零厚度間斷面。在裂紋的前緣存在著應(yīng)力應(yīng)變的奇異場，而裂紋尖端附近的材料假定同尖端遠(yuǎn)處的材料性質(zhì)并無區(qū)別。裂紋這樣的缺陷可稱它為奇異缺陷，因此經(jīng)典斷裂力學(xué)中物體的缺陷僅僅表現(xiàn)為有奇異缺陷的存在。斷裂力學(xué)的一個(gè)突出的特點(diǎn)是考慮了材料與結(jié)構(gòu)中宏觀缺陷的效應(yīng)，在方法論上，其優(yōu)點(diǎn)是把強(qiáng)度與韌性結(jié)合起來一起考慮。在斷裂力學(xué)中，由于應(yīng)力場的奇異性，即裂紋尖端的應(yīng)力場將趨于無窮大，所以無法利用應(yīng)力的大小來判斷材料中的裂紋是否繼續(xù)擴(kuò)展，所以就提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂韌性的概念，認(rèn)為如果裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于材料的斷裂韌性，那么該裂紋將處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，反之，裂紋將不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。而距離裂紋遠(yuǎn)處的應(yīng)力場仍可以按照由經(jīng)典斷裂力學(xué)推導(dǎo)出的公式來進(jìn)行計(jì)算。隨著材料損傷程度的加劇，材料本身抵抗斷裂的能力會(huì)越來越低，表現(xiàn)為材料的力學(xué)性能指標(biāo)上就是材料的斷裂韌性會(huì)越來越低，所以可以認(rèn)為隨著損傷的變化，斷裂韌性也是在變化的，二者之間肯定存在著一定的關(guān)系 。

巖石的抗拉強(qiáng)度是巖石試件在單軸拉力作用下抵抗破壞的極限能力，或極限強(qiáng)度，它在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。與巖石抗壓強(qiáng)度的研究相比，對(duì)抗拉強(qiáng)度的研究較少，對(duì)裂隙巖石材料的抗拉強(qiáng)度的研究則更少。從豐富斷裂力學(xué)和服務(wù)實(shí)際工程的角度來說，研究裂隙巖石受拉的力學(xué)特性具有積極的意義。在實(shí)驗(yàn)室尺度下，總是可以找到含有宏觀裂紋的巖石試件，此時(shí)，無法將其當(dāng)作無限大體進(jìn)而使用傳統(tǒng)斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行處理。含斜裂紋的受拉巖石的斷裂形式為拉剪復(fù)合型斷裂。裂紋傾角、裂紋長度對(duì)開裂角的影響，隨裂紋傾角的增大而增大的結(jié)論;對(duì)于具有宏觀裂隙的試件，基于最大周向應(yīng)力理論計(jì)算的開裂角和基于有效應(yīng)力理論計(jì)算的開裂角隨裂隙長度增加有逐漸遞減的趨勢；基于最大周向應(yīng)力理論計(jì)算的開裂角最大值為70. 5°，基于有效應(yīng)力理論計(jì)算的最大開裂角度約為86°；一般情況下試件尺度下計(jì)算的開裂角要大于在無限大體尺度下計(jì)算的開裂角。裂隙試樣的抗斷裂能力可按無限大體理論進(jìn)行計(jì)算;隨著裂隙長度的增加， 使用無限大體的理論計(jì)算結(jié)果與按有限大體的計(jì)算結(jié)果差異越來越大 。

拉應(yīng)力

拉應(yīng)力就是物體對(duì)使物體有拉伸趨勢的外力的反作用力。材料受到的外力稱為外載荷（tensile stress），材料內(nèi)部產(chǎn)生的反作用力稱為應(yīng)力。一個(gè)物體兩端受拉，那么沿著它軸線方向的抵抗拉伸的應(yīng)力就是拉應(yīng)力。應(yīng)力的施力者為物體，受力者為外界。分析一個(gè)應(yīng)力是為拉應(yīng)力，還是為壓應(yīng)力，主要看作用在物體上的力的反作用力的效果，即外界施加在物體上的力的效果，是使物體的尺寸有變大的趨勢，還是變小的趨勢，變小即為壓應(yīng)力，變大即為拉應(yīng)力。材料兩端受壓，材料受到的應(yīng)力是壓應(yīng)力。因?yàn)?，即使受壓，把受壓物體分割成小塊，各小塊之間即使有想要抵抗擠壓的趨勢，相互之間還是擠壓，還是應(yīng)該是壓應(yīng)力；反之，就是拉應(yīng)力。

剪應(yīng)力

物體由于外因 (受力、溫度變化等) 而變形時(shí)，在 它內(nèi)部任一截面的兩個(gè)方向即出現(xiàn)相互作用力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。剪應(yīng)力即為同截面相切的應(yīng)力。剪應(yīng)力可使相鄰的巖塊沿截面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。2100433B

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度以前，整個(gè)試件變形是均勻的。但是應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件變形就集中在某一薄弱區(qū)域內(nèi)，這部分截面發(fā)生顯著的收縮(頸縮)。頸縮部分的截面比原截面小得多，因而頸縮截面上的實(shí)際應(yīng)力比按原截面計(jì)算的應(yīng)力大得多。但是，以原截面計(jì)算的試件 應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，試件就必然斷裂，因而斷裂強(qiáng)度實(shí)際工程上意義不大。在工程上常以抗拉強(qiáng)度代表材料的斷裂應(yīng)力。拉伸 斷裂強(qiáng)度外，還有疲勞和蠕變斷裂強(qiáng)度。前者又稱疲勞強(qiáng)度系數(shù)，用表示，指在交變載荷循環(huán)一次后試件發(fā)生斷裂的強(qiáng)度；后者又稱持久強(qiáng)度，指給定溫度和斷裂時(shí)間下的強(qiáng)度。這兩種斷裂強(qiáng)度只有通過測定低周疲勞曲線和蠕變斷裂曲線時(shí)給出。材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變，由這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。疲勞強(qiáng)度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗(yàn)。

混凝土包括素混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，由其組成的結(jié)構(gòu)稱為混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土作為重要的建筑材料已有百余年的歷史，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在土木工程中 ,混凝土已必不可少。M.F.卡普蘭(Kaplan)1961年應(yīng)用斷裂力學(xué)的概念來研究混凝土斷裂而提出的假說。其要點(diǎn)是：水泥石中裂紋的擴(kuò)展所需能量要比形成新表面的表面能大一個(gè)數(shù)量級(jí)。J.格呂克利希指出，這種過多的能量是由于在一定的應(yīng)力階段在裂紋頂端附近區(qū)域需要形成許多微裂紋所致。L.詹姆斯和E.K.克萊德指出混凝土中的原始裂紋存在于水泥石中及其與集料的界面上，并在水泥石中擴(kuò)展。在集料彈性模量高于水泥石的情況下，集料對(duì)原裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用。集料與水泥石彈性模量的比值越高、原裂紋頂端離集料表面越近、集料粒度越大，集料的阻裂作用越大。用勻質(zhì)材料斷裂力學(xué)分析而得的混凝土斷裂韌性，稱為假斷裂韌性。