列車荷載對含空洞的高鐵隧道的損傷分析研究 交通運輸專業(yè)

第1章緒論1.1引言自2005年以來，根據(jù)“十一五”、“十二五”對鐵路方面的規(guī)劃和我國制定的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，全面推進高速鐵路“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)建設，到2015年末，我國在役的高速鐵路隧道有25條，總長度約3200km，約2200座隧道，且有2900km的高速鐵路隧道正在建設階段，在加上目前已經(jīng)處于規(guī)劃、設計階段的高鐵隧道，我國的高鐵隧道總長度將達到10000km。縱觀歷史，從2004年國務院審議通過的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》到08年修改后，再到現(xiàn)在，我國的高速鐵路正處于飛速發(fā)展的階段，技術已經(jīng)相對比較成熟，在高鐵隧道修建里程及數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過發(fā)達國家，成為了隧道超級大國REF_Ref475562167\r\h[1]REF_Ref475562184\r\h[2]REF_Ref475562187\r\h[3]REF_Ref475562189\r\h[4]REF_Ref475562191\r\h[5]。面對上述高速鐵路隧道問題,在我國高速鐵路已經(jīng)進入重要發(fā)展關頭,研究含缺陷高速鐵路隧道動力學對于我國目前在役鐵路隧道和擬建的高速鐵路隧道來說,在鐵路運營的安全、舒適等方面的要求具有重大意義，為我國高速鐵路的發(fā)展開辟廣闊的外部環(huán)境和發(fā)展空間勢在必行。1.2研究背景和意義1.2.1研究背景我國鐵路隧道每年300km甚至更快的建設速度增長，盡管我國的高鐵技術已是世界先進水平，但根據(jù)對我國5000座已建鐵路隧道的統(tǒng)計資料分析表明,隧道襯砌存在不同程度的空洞病害,病害隧道占比約50%,其中高鐵隧道空洞病害占比約為38%。隧道設計規(guī)范要求隧道襯砌與圍巖緊密貼合，實際上襯砌與圍巖之間常存在空隙或兩者之間回填不夠密實，這種現(xiàn)象叫做隧道背后空洞。在隧道襯砌的拱頂，拱肩，拱腰，邊墻等部位都存在不同程度的空洞病害，空洞的存在是造成隧道混凝土壓潰掉塊兒甚至整體失穩(wěn)的極大隱患，對行車及人員安全造成極大的潛在危害REF_Ref476647425\r\h[6]。隧道結構中的這些空洞病害問題，在運營中列車動載的長期作用下將會不斷累積，結構中的缺陷會隨著動荷載的重復作用，產(chǎn)生擴展，導致結構失效，特別在服役的中后期，加上長期環(huán)境因素的影響，對隧道的耐久性影響將更大。圖1-1隧道病害檢測病害類型占比Fig.1-1Percentageofdiseasetypesdetectedbytunneldisease（舉例說明隧道災害實例，以及因為空洞所造成的真是案例）圖1-2隧道襯砌結構空洞病害Fig.1-2tunnelliningstructurecavitydisease1.2.2研究意義由于各種因素導致空洞這一缺陷的發(fā)生，并且以目前的施工技術是不可避免的，再加上現(xiàn)在高鐵列車速度越來越快，以復興號為例時速最高可達400Km/h，這樣給隧道結構帶來了更大的質(zhì)量挑戰(zhàn)。由于高鐵軌道應用的事無砟軌道，其雖然具有結構穩(wěn)定性好、美觀等優(yōu)點，但是由于整體形勢是混凝土，造成其整體的剛度比較大，彈性小，不利于列車荷載振動波的傳播衰減。因此就需要高鐵隧道襯砌結構必須在列車振動荷載下具有結構動力穩(wěn)定性。由于隧道結構的一些病害，導致違背了設計之初的理想條件，造成結構承載力的減弱。而含缺陷的高速鐵路隧道結構是在長期遭受列車振動荷載的影響下工作的，且這種形式的破壞通常不是瞬時破壞，而是長期反復的列車振動荷載作用下，導致缺陷處產(chǎn)生二次病害，如空洞位置處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在列車荷載反復作用時，會進一步產(chǎn)生裂紋、裂紋擴展、裂紋貫通，隨著病害不斷的累積，最終發(fā)生掉渣、掉塊甚至坍塌。由此可見，研究含空洞的高鐵隧道結構在列車振動荷載下的動力響應規(guī)律對日后的預防和維修迫在眉睫。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1空洞的定義隧道空洞主要指兩種：（1）二次襯砌的厚度不足造成的二襯與初支之間的空洞；（2）初支背后出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象。空洞的類型不同，其成因也不同。圖1-3初支與二襯之間的空洞類型圖1-4初支與圍巖之間脫空1.3.2空洞的成因1.3.2.1二次襯砌的厚度不足造成的二次襯砌與初支之間的空洞成因REF_Ref509418880\r\h[7]REF_Ref509418883\r\h[8]REF_Ref509418885\r\h[9]：（1）混凝土收縮造成脫空。混凝土具有凝固收縮特點，如果不采用膨脹混凝土，即使將模板內(nèi)灌滿，在混凝土凝固后，拱頂處仍不可避免地出現(xiàn)小空隙。如果混凝土水灰比較大，混凝土收縮則更為明顯。（2）因為混凝土在澆筑過程中是一種流動體，受重力影響，大面積澆筑時，邊墻的空腔最易充填密實，而拱頂處和拱腰處最易發(fā)生二襯脫空的情況，主要是在混凝土澆筑過程中未振搗密實，澆筑完成后混凝土受自重影響向邊墻處下沉，拱部壓力減小，造成拱部縱向脫空。同理，在反坡施工時，與上一個循環(huán)已施作完畢的襯砌間也容易出現(xiàn)自重影響下的增壓氣囊，造成二襯背后環(huán)向脫空。混凝土澆筑至拱部時，一般臨近本循環(huán)混凝土澆筑結束，剩余混凝土數(shù)量難以精確掌握，容易導致拱頂混凝土灌注量不足；另外灌注過程壓力變化，導致拱部局部地區(qū)泵送混凝土不到位，二襯脫空。灌注完畢后，襯砌背后二次注漿孔堵塞或襯砌背后注漿施作不到位，也會造成襯砌與圍巖的不密貼。泵送混凝土僅利用個別窗口澆筑時，易出現(xiàn)混凝土流動距離過長的情況，距灌注窗口較遠處，混凝土供應數(shù)量不足、輸送泵壓力不足或運行故障而易造成脫空。此外，當混凝土擴散度不足時，也可能無法擴散填充密實而造成脫空。（3）泵送口角度不合理或選擇不當就會造成脫空。模板臺車拱頂一般設置有三個或三個以上的泵送孔，這些泵送孔大多垂直模板設置?；炷翉墓軆?nèi)進入模板，流動方向改變?yōu)?0°，由此帶來的壓力損失很大，造成襯砌遠端脫空。（4）防水層松鋪不足造成脫空。由于超欠挖的普遍存在，加上初期支護施工質(zhì)量不佳，初期支護表面經(jīng)常出現(xiàn)縱向或環(huán)向凹凸起伏。在初期支護表面不平整時，如果防水層鋪掛過緊，二次襯砌混凝土將被防水層阻斷而不能完全充填凹陷位置，因此形成邊墻空洞。如果混凝土泵送壓力過大，則可能擠破防水層，造成滲漏水。（5）封口不當造成脫空。混凝土灌滿并達到一定壓力后，二次襯砌澆筑即可結束，此時需要停止泵送并封閉泵送口。在封口方法上，目前仍有大量單位采取拆管后用編織袋、土工織物封堵泵送口的方法。采用這種方法時，拆除輸送管后混凝土在自重作用下會向下流出模板，直接導致泵送口對應拱頂襯砌脫空，這是襯砌中部脫空的主要原因。（6）襯砌模板臺車由于各種原因底部支撐不足，或未支撐牢固，澆筑混凝土時，臺車發(fā)生整體位移，不但造成二襯背后脫空，而且可能造成二襯侵限等嚴重質(zhì)量問題。若襯砌臺車模板在混凝土達到拆模條件前或混凝土強度不足以承受其自重前發(fā)生下沉、變形則可能導致二襯背后脫空。混凝土澆筑時，模板臺車擋頭板封堵不嚴實，或在壓力作用下變形，與臨近模板脫開，造成漏漿，導致二襯背后脫空或不密實。此情況多出現(xiàn)于拱頂處。1.3.2.2初支與圍巖之間的空洞成因與危害：原因在調(diào)查，對隧道影響不是很大，由于有鋼拱架的支護存在初支背后脫空現(xiàn)象（a）初支背后脫空現(xiàn)象(b)圖1-5初支背后脫空造成初期支護背后出現(xiàn)空洞的原因主要有REF_Ref509419752\r\h[10]：（1）施工人員質(zhì)量意識淡薄、偷工減料的結果。為追求高額利潤，刻意降低噴射混凝土的用量，采用以下幾種不良手段，造成噴混背后空洞。（2）施工工藝不精的結果。容易產(chǎn)生空洞的部位是拱頂，由于混凝土的收縮特性和重力的作用，使噴射混凝土與巖面不能密貼，產(chǎn)生空隙，形成空洞。（3）爆破使圍巖破碎。在爆破后拱腳部位的巖體，已經(jīng)破碎，由于處于拱腳，爆破沒有使其產(chǎn)生位移，噴混后，開挖下導，再實施爆破。開挖下導坑，在重力的作用下，產(chǎn)生向下的位移甚至掉塊。掉塊后產(chǎn)生的空洞，顯而易見可以補噴混凝土，但是由于下滑產(chǎn)生的空洞不易發(fā)現(xiàn)，就成為質(zhì)量和安全的隱患見（圖1-6）。（4）隧道滲水或涌水是隧道施工中常見的問題，噴射混凝土不可能立即堵塞滲水，初步成型的初凝后柔性噴射混凝土在地下水壓力的作用下變形或脫落，脫落的混凝土可以重新噴射，但是變形的混凝土其后容易形成空洞（見圖1-7）。圖1-6圍巖破碎初噴形成的空洞圖1-7隧道滲水的原因產(chǎn)生空洞初期支護噴射混凝土背后空洞存在的危害REF_Ref509419752\r\h[10]：（1）初支背后的空洞存在，使初期支護（包括拱架支撐）不能與圍巖接觸面密貼，不能與圍巖形成的自然拱而共同受力，不能有效地支撐破碎巖體的變形，加快圍巖的破壞，給支護增加壓力。（2）初支背后空洞將成為地下水的良好的存儲空間，水害是隧道最大的威脅，地下水存在流動空間，細小顆粒在水動力的作用下流失，使原來穩(wěn)定的圍巖加速破壞。（3）初支背后的空洞存水，對于寒冷地區(qū)的隧道，是混凝土凍害產(chǎn)生的主要原因。地下水在空洞內(nèi)積存，不能及時排除，在零下溫度下，產(chǎn)生凍脹，造成隧道襯砌破壞，甚至這造成隧道滲漏水，影響行車安全。1.3.3含襯砌背后空洞的隧道結構研究現(xiàn)狀對于隧道結構襯砌背后空洞這一病害，國內(nèi)外的專家學者分別從理論分析、數(shù)值模擬仿真分析、室內(nèi)模型試驗方面進行了不同的研究。M.A.Meguid，H.K.DangREF_Ref509426608\r\h[11]研究了隧道襯砌背后存在空洞時，設定在不同位置、不同大小的空洞且襯砌的材料不同時，采用數(shù)值模擬分析了不同情況下的病害形勢對隧道襯砌結構的受力力學行為，并得到隨著空洞尺寸的增大，襯砌結構在拱腰位置處的受力越大；當拱頂處存在空洞時對結構的影響最大，在空洞周圍出現(xiàn)了拉應力，拉應力過大，超出襯砌結構承載力將會使襯砌結構產(chǎn)生裂縫。王春景，雷明峰等REF_Ref509426990\r\h[12]，采用荷載-結構法的計算原理，從襯砌的厚度不足、襯砌的背后存在空洞等方面進行數(shù)值模擬分析結構的安全性能，研究結構得出隧道襯砌結構存在空洞時結構的受力發(fā)生明顯的改變，威脅著結構的承載力安全。彭躍，王桂林等REF_Ref509426999\r\h[13]，采用地層-結構法，使用ANSYS有限元軟件，分別就空洞部位不同、大小不同進行模擬，分析結構在含缺陷時的受力安全度。結構表明，空洞位置不同時襯砌的受力都存在變化，影響最大的是拱頂處有空洞時，在拱頂?shù)目斩粗車芰ψ兓顬槊黠@；空洞尺寸較小時對結構的影響并不明顯，當空洞尺寸大于0.5m時，襯砌結構的受力呈增大趨勢。崔文艷，宋建等REF_Ref509427008\r\h[14]采用模型試驗和MIDAS有限元數(shù)值模擬仿真分析軟件，對比分析了在不同位置處存在空洞時隧道結構的受力形勢及破壞狀態(tài)。其研究成果表明，隨著空洞位置下移，襯砌結構的破壞也隨之下移，表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫，其數(shù)值模擬結構也與試驗結果相吻合，驗證了結果的可靠性。劉海京，夏才初等REF_Ref509427015\r\h[15]從空洞的幾何情況不同出發(fā)，設置長方形和半圓形兩種空洞形狀，利用接觸法原理，通過法向和切向彈簧來模擬襯砌結構和圍巖的接觸，采用Goodman單元進行模擬空洞，減少相應的彈簧來實現(xiàn)空洞形勢。劉的結論如下：接觸法可以很好的模擬圍巖與襯砌的相互作用；空洞位置出現(xiàn)明顯的應力集中；空洞的幾何形狀對結構的受力影響并不明顯。周成濤，陳俊濤REF_Ref509427025\r\h[16]通過ANSYS有限元軟件，建立含不同尺寸巨形空洞的三維隧道模型，分析隧道襯砌的受力，并引入強度折減法，計算空洞存在時隧道襯砌的安全系數(shù)。結果表明，當空洞尺寸增大到30°（按照襯砌結構圓心角計算）時，襯砌結構的應力明顯增大，強度折減后的安全系數(shù)表現(xiàn)為顯著下降；導致隧道結構襯砌破壞的臨界拉應力是：3.69MPa，臨界壓應力為：-5.14MPa。王立川，周東偉等REF_Ref509427038\r\h[17]，運用數(shù)值仿真模擬分析了鐵路隧道存在襯砌結構空洞時，對結構的承載力存在的影響，王立川分析了襯砌結構背后圍巖脫空形成的原因，及破壞的發(fā)展形態(tài)，根據(jù)自己長期在工作中總結的經(jīng)驗，分別從管理和施工技術方面闡述了后期對空洞預防的一系列建議和具體實施的措施方案。佘健，何川等REF_Ref509427044\r\h[18]人以重慶的某個高速公路其中的一個隧道為例，通過室內(nèi)1:25的模型試驗，研究在圍巖條件不同時、空洞位置不同時，隧道結構的受力形勢及劣化機理。研究表明：圍巖條件越差，結構的承載力越弱；空洞對襯砌結構的承載力具有明顯的影響；在水平壓力作用下，拱頂部位存在空洞時，隨著壓力的增大，在空洞邊緣和拱肩位置處出現(xiàn)裂縫；豎向荷載作用下，危害最為嚴重的是中等大小的空洞。李明，陳洪凱等REF_Ref509427051\r\h[19]以重慶市內(nèi)的“八一”隧道為原型，設置1:25的模型試驗，研究襯砌背后含有不同尺寸大小的空洞時，對隧道結構的健康等級影響，從而為日后隧道結構健康等級診斷做出相應的評判依據(jù)。李明等人的試驗結構表明：襯砌背后存在空洞時，襯砌結構的承載力有一個明顯的下降趨勢，且隨著空洞尺寸的慢慢變大，承載力變化曲線呈現(xiàn)“S”形變化，在空洞尺寸為100~550mm承載力是呈現(xiàn)幾乎是直線下降。大于550mm時結構基本破壞。張素磊REF_Ref509427056\r\h[20]分別從理論角度、數(shù)值模擬、模型試驗三方面對襯砌背后含有空洞的病害機理進行了深度的研究。研究發(fā)現(xiàn)：小空洞對結構的受力影響并不明顯，空洞所在的位置周邊結構有明顯的應力集中；試驗中素石膏和加有鋼筋的石膏模型，在其他設定參數(shù)相同時承載力變化曲線都是呈下降事態(tài)，但是當破壞時，素石膏模型是整體壓潰，而加了鋼筋的石膏模型出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。王喚龍，劉黎，甘目飛REF_Ref509427559\r\h[21]為了研究二襯脫空位置及脫空面積對襯砌結構內(nèi)力以及結構安全造成的影響，針對西南山區(qū)典型的灰?guī)r隧道斷面，建立了脫空計算的地層–荷載模型，計算10種不同脫空位置及脫空面積下二襯內(nèi)力，進而得到截面安全系數(shù)K。通過某隧道的無損檢測結果，討論了引起二襯脫空的4種主要原因，分別是：開挖、混凝土澆筑、模板臺車強度以及防水板安裝。結合工程實例，最后分析了脫空對二襯結構安全的影響，為高速鐵路隧道脫空防治提供一定的理論基礎。楊小玉REF_Ref509427565\r\h[22]對隧道二次襯砌脫空產(chǎn)生的原因進行綜合分析，提出相應的預防對策，并結合金寶頂隧道洞門二次襯砌與初期支護間脫空對隧道脫空治理的關鍵技術進行探討分析。總結出隧道襯砌空洞對隧道危害極大，在施工中綜合運用各種技術進行預防襯砌脫空，對已造成的襯砌脫空采取合理的措施，分別對拱頂和拱腰進行注漿處理，注漿工藝簡單、操作方便，且注漿過程中需注意:(1)嚴格控制漿液的水灰比;(2)合理的安排注漿順序;(3)控制注漿壓力和進漿量。綜合上述文獻，我們可以發(fā)現(xiàn)關于隧道襯砌結構空洞方面的研究計較多，大都集中在靜載、數(shù)值模擬、模型試驗等方面，考慮高速鐵路振動荷載的影響較少，我們發(fā)現(xiàn)，結構破壞是損傷位置周圍結構在反復荷載下?lián)p傷積累，不斷劣化，而缺少理論知識及有效措施導致最終的破壞。1.3.4隧道振動響應的研究現(xiàn)狀列車荷載是導致鐵路隧道病害的重要原因之一,許多學者從不同角度對鐵路隧道振動響應進行了研究,采用的研究方法有理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試和模型試驗等,研究內(nèi)容主要集中于以下三個方面,即隧道襯砌結構的振動響應研究、隧道地基土振動響應研究和環(huán)境振動響應與減振措施研究。最早的軌道模型是由Winkler于1867年提出的,該模型將鋼軌看成是常剛度基礎之上的無限長梁。TimoshenkoS.P.REF_Ref509430108\r\h[23]和FrybaL.驗證了該模型的正確性REF_Ref509430121\r\h[24]REF_Ref509430125\r\h[25],在以后的各種軌道系統(tǒng)(明線路基軌道系統(tǒng)或鐵路隧道軌道系統(tǒng)等)的理論分析中,軌道結構一般用Winkler地基梁模擬,梁的運動方程主要采用Euler-Bernouli梁或Timoshenko梁描述REF_Ref509430147\r\h[26]REF_Ref509430148\r\h[27]REF_Ref509430150\r\h[28]REF_Ref509430152\r\h[29]REF_Ref509430155\r\h[30]。前者只考慮梁的彎曲,而后者還考慮梁的剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性矩,對于低頻激勵,兩者所得的結果十分相近;對于高頻激勵,后者所得的結果更為精確。隧道振動響應數(shù)值分析中采用的主要計算方法有限單元法、有限差分法以及有限元-邊界元合耦合等。其中以有限單元法居多,相關的研究工作有：ThiedeREF_Ref509431222\r\h[31]等運用有限元法研究了不同頻率激勵下管片厚度對地鐵結構響應的影響情況;GuanREF_Ref509431229\r\h[32]等采用三維有限元模型研究了主隧道運營引起的主、輔隧道振動響應規(guī)律;ChuaREF_Ref509431244\r\h[33]、潘昌實REF_Ref509431250\r\h[34]、王祥秋REF_Ref509431265\r\h[35]REF_Ref509431268\r\h[36]REF_Ref509431269\r\h[37]、李德武REF_Ref509431278\r\h[38]、高峰REF_Ref509431282\r\h[39]、張玉娥REF_Ref509431288\r\h[40]REF_Ref509431289\r\h[41]等人基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得到列車荷載譜,并將其引入到有限元模型中對隧道襯砌的動力響應進行模擬分析,得到一些基本結論列車振動對基底及以下圍巖影響較大,對隧道襯砌拱圈影響較小,襯砌上出現(xiàn)了不利的拉應力。1999年梁波REF_Ref509431395\r\h[42]，蔡英認為目前高鐵隧道內(nèi)的軌道一般采用的是無縫線路，導致軌道與列車的動態(tài)響應主要是由于軌道結構的不平順現(xiàn)象，用激振力函數(shù)模擬列車行駛時的振動荷載，考慮列車荷載的中、高、低頻及軌道幾何不平順涉及到的三個參數(shù)（即：行車的平穩(wěn)性、列車作用到線路上的動力附加荷載、波形磨耗），得到列車荷載的表達式：（1-1）式中——車輪靜載(kN)；——分別為幾何不平順中的三個參數(shù)對應的振動荷載(kN)，；2000年A.V.Metrikine，A.C.W.M.VrouwenvelderREF_Ref509431613\r\h[43]REF_Ref509431615\r\h[44]建立二維模型，假定襯砌結構為歐拉梁，把列車載荷假設為一個移動的點荷載，后又改進了模型，采用兩個歐拉梁進行模擬，他這種模型雖然簡單，容易操作，但是結果不夠理想。2001年，高峰、關寶樹REF_Ref509431621\r\h[45]針對京滬高鐵在穿越南京長江時施工過程采用的沉管法，考慮日后列車荷載作用下對隧道結構的受力，進行了三維有限元仿真模擬分析隧道受力及接頭處的受力情況。2011年開始丁祖德REF_Ref509431628\r\h[46]REF_Ref509431630\r\h[47]REF_Ref509431631\r\h[48]等人，分別用有限元法、有限差分及市場上現(xiàn)有的商業(yè)軟件ABAQUS編寫UMAT子程序?qū)Τ绦蜻M一步開發(fā)，建立圍巖與隧道結構相互作用模型，分析隧道基底部分在不同車速作用下的影響，研究隧道結構的動力特性、加速度及損傷演化的規(guī)律。并用試驗研究了動載與地下水的耦合作用。并得出，列車振動對仰拱周圍的圍巖影響范圍為豎向5m。2013年康立鵬REF_Ref509431705\r\h[49]對目前出現(xiàn)的立體交叉形式的高鐵隧道動力響應為出發(fā)點，用有限元進行模擬分析在不同的車速作用下，設定多種工況分析隧道結構的受力及圍巖的動力響應變化規(guī)律。列車振動荷載在今年來的研究中受到大家的追捧，大都是研究列車振動荷載下隧道結構的動力響應，多采用的是理論上總結列車荷載激振公式、有限元軟件模擬分析隧道受力、試驗縮尺模擬，針對研究隧道襯砌結構含空洞領域研究尚比較匱乏。1.3.5混凝土損傷力學研究近展高速鐵路隧道的主體部分是混凝土結構。在隧道結構建造的過程中，由于環(huán)境因素、混凝土養(yǎng)護、地質(zhì)條件等眾多因素的影響，導致隧道結構在形成之初就含有微觀空洞、裂隙等的初始缺陷。這些初始缺陷在后期運營時長期的列車荷載振動下及隧道周圍的巖體、土體等的環(huán)境因素變化下會不斷的擴展，影響結構的承載能力。由于隧道襯砌結構在建成之初就存在關于其本身材料特性引起的微損傷，這類微損傷對結構的影響是一段變化的過程，從它開始形成后，受到外界的各種形式干擾，產(chǎn)生一定的劣化，此劣化是一個不斷積累的過程，當微觀的初缺陷發(fā)展到宏觀的病害后將最終會演變?yōu)榻Y構的破壞。楊光松REF_Ref509432027\r\h[50]在其書中提到：材料的微觀損傷，后期發(fā)展演變，這整個過程占結構全壽命周期的80%~90%，宏觀裂紋、空洞的形成，逐漸擴展再到貫穿一般僅僅占用結構壽命的10%~20%。對于這種帶初始損傷的材料有必要研究其材料損傷的本構關系。為研究結構破壞機理及準確計算結構的承載力，研究混凝土損傷力學已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的高度關注。F.SidoroffREF_Ref509431951\r\h[51]提出能量等效的假定，此處提出的能量等效即無損傷材料彈性能與含損材料彈性與能在某種程度傷假定為相同的，從而建立損傷模型，對含損傷材料進行分析，為后期的損傷理論研究形成鋪墊；到20世紀70年代Dougill才首次把損傷問題引入到混凝土材料的研究。A.L.GursonREF_Ref509431931\r\h[52]基于已有的細觀方面的損傷力學本構關系，建立含為孔洞的模型，研究空洞的成核及生長規(guī)律，進而得出結構單元的屈服上限，這一模型為后期的研究提供了研究基礎。ChenLREF_Ref509431961\r\h[53]等人通過引入各項異性參數(shù)，建立了關于沉積巖各向異性的彈塑性損傷耦合模型，通過設定不同加載方向、不同圍壓進行一系列數(shù)值模擬，并建立室內(nèi)三軸壓縮試驗做對比，結果表明所建立的模型可以表明各向異性的巖石的力學行為。ShaoJFREF_Ref509431966\r\h[54]等人建立一種新的損傷本構模型，用于描述各向異性脆性巖石，并從微觀力學的角度分析微損傷分布近似符合一個二階張量。研究表明損傷的劣化是在一個空間的不同方向發(fā)展擴大的。其試驗結果也很好的驗證了其模型的真確性。DubéJFREF_Ref509431974\r\h[55]等人通過改變損傷演化方程表達式，推導出一個跟無關速率的含損傷模型。CerveraMREF_Ref509431980\r\h[56]等人提出與速率相關的各向同性混凝土壩損傷模型，加入地震荷載時混凝土大壩的受拉峰值增大50%。李慶斌，張楚漢REF_Ref509432044\r\h[57]等人采用前人已有的混凝土損傷本構關系，進行單軸拉、壓試驗，加入動靜載荷，研究混凝土動力損傷方面的演化方程。李的研究為日后對混凝土關于動力本構關系的推導做了理論性的基礎。宋玉普REF_Ref509432050\r\h[58]在其“混凝土的動力本構關系和破壞準則”一書中，進行了大量的試驗，從加載地震荷載、沖擊力、疲勞、爆炸等，研究了混凝土的疲勞性能并建立了在疲勞荷載作用下混凝土的疲勞準則及本構關系。同濟大學李杰REF_Ref509432061\r\h[59]REF_Ref509432063\r\h[60]REF_Ref509432064\r\h[61]是近年來在混凝土損傷力學方面貢獻最多的一名國內(nèi)專家。從混凝土本身具有的初始微損傷出發(fā)，通過Helmholtz自由能及混凝土的彈塑性損傷能量釋放率，推到了滿足熱力學基