斷裂損傷力學在混凝土橋梁損傷評估分析的作用

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400047)

一、引言

現如今對于鋼筋混凝土橋梁疲勞損傷與剩余壽命的評估尚未存在規范標準，傳統的計算方法是根據小尺寸試件的實驗室加載結果，擬合出構件的常幅疲勞強度和壽命的關系曲線，即S-N 曲線[1-2]，再驗算斷面上的應力比，在設計強度的荷載條件下進行折算得到.對于該方法，在實現鋼筋混凝土橋梁疲勞損傷與剩余壽命的評估時主要是依據混凝土橋梁的承受車輛荷載的信息評估一個周期內橋梁構件的累積疲勞損傷程度。這種方法實施簡單，但是其弊端是研究者需知道待測橋梁承受車輛荷載的詳細信息，倘若缺乏某段時期內的車輛荷載信息則很難對待測混凝土橋梁作出可靠的疲勞損傷與剩余壽命的評估。基于線性斷裂力學的疲勞壽命評估混凝土橋梁疲勞壽命[3]的研究則不需要知道待測混凝土橋梁承受車輛荷載的歷史信息，該方法是根據勘探混凝土橋梁關鍵部位發生的斷裂裂紋或者測試者提出一個初始的假設裂紋，在已知裂紋的基礎上，在循環應力作用下觀察裂紋演變情況，直至裂紋擴展至疲勞損壞狀態，然后根據受載信息對混凝土橋梁進行疲勞損傷與剩余壽命的評估。

二、等效模型的建立

通過波的干涉試驗，發現混凝土中裂縫的尖端總是存在一個微裂縫區，這些微裂縫集中分布在一個不大的帶寬范圍內，其寬度與混凝土中骨料的尺寸相當。也就是說，裂縫的開展不是尖端的，而是鈍化的，非線性斷裂力學的鈍裂縫帶模型也就產生了。

(一)鈍裂縫帶模型

鈍裂縫帶模型是用一條包含平行的、密集分布的微裂縫帶來模擬實際裂縫和斷裂區。它將各向同性的彈性矩陣轉換成為正交各向異性矩陣，以降低垂直于裂縫方向上的剛度，可以很好地近似模擬實際裂縫的傳播路徑。鈍裂縫帶模型考慮了斷裂區前端應力逐漸降低的應變軟化規律。除了微裂縫開裂擴展能夠引起應變軟化以外，其他諸如一些不可見的黏結面斷裂或者一些亞微觀缺陷等也會引起應變軟化，因此，要求應變軟化區的尺寸范圍要大于微裂縫區，即要求選取的結構計算尺寸是混凝土中最大骨料尺寸的三倍以上，以使代表體的應力應變分布具有實際的物理意義。實際上，裂縫在其擴展過程中總是圍繞著骨料等微觀結構曲折前進，任意截面上的應力分布也不可能是平滑的，其總是會在平滑線兩側不停的擺動，因此，在宏觀上是采用了等效的均質體。

(二)開裂混凝土的本構關系

水利工程的地下防滲墻豎向面積大，水平方向厚度小，荷載主要受水平力作用。鈍裂縫帶模型能夠很好地分析混凝土斷裂過程中的應力應變關系，描述應力狀態下裂縫尖端附近的斷裂效應，因此，可以將這一理論引入到設計中來，在平面狀態下，模擬防滲墻分布裂縫模型，對防滲墻非線性斷裂破壞的分布裂縫模型進行分析。普通混凝土防滲墻墻體在水平荷載作用下，其所受的主拉應力值σ1 大于混凝土極限抗拉強度ft 時，墻體開裂面附近充滿均勻分布的平行裂縫，墻體起裂。而對于塑性混凝土墻體，由于卸載時會產生殘余變形，因此在重新加載計算時，可能出現ε1>εt，而σ1

三、分布裂縫模型在實際工程中的應用

(一)工程概況

湖南省常德市沅水大橋位于地處國道207線和國道319 線交叉處，大橋全長1408 m，主橋孔跨布置為528 m，預應力連續梁橋，大橋支撐體系為混凝土連續梁支撐體系.南北兩岸引橋均采用為T 型簡支梁結構，南岸引橋設7孔；北岸設4孔，大橋下部構造為雙柱式墩，橋面凈寬：19 m。

(二)沅水大橋的疲勞壽命評估

對常德沅水大橋進行健康監測，在評測時對監測狀態分為正常、警告和報警3個等級，其中針對每個實時預警等級設定不同的報警閾值。全橋總體疲勞損傷狀況為每個部分評測結果的加權平均值。

根據前文初始裂紋的計算方法，通過觀察大橋表面未發現裂紋，于是在評估過程中采用假設周初始裂紋的方法進行混凝土橋梁損傷和剩余壽命評估.大橋的受力主筋為16 的II級鋼筋，其半徑r為8 mm，屈服強度為=335 MPa，選取斷裂韌度K= 50*.選擇鋼筋斷裂臨界裂紋深度a，并依據a= min判斷混凝土構件是否發生斷裂現象.根據經驗，選取鋼筋的斷裂常數D =2*和m=4，鋼筋裂紋擴展門檻值的大小選取=2.0*.依據應力強度因子的幾何修正因子公式和應力剛度因子* 進行判斷和的大小關系，如果>則表示出現裂紋擴展，相反，如果則說明沒發生裂紋擴展.關于裂紋擴展增量的計算，記裂紋的擴展量為，那么，下一時刻裂紋的長度與此刻裂紋的長度滿足，將更新后的裂紋長度代入應力幅水平計算公式中便可以計算出應力強度因子、裂紋的擴展量以及下一時刻的裂紋長度等值，計算可得沅水大橋的疲勞損傷狀況.

根據混凝土橋梁斷裂特性，取臨界韌性斷裂長度作為沅水大橋臨界斷裂深度.由計算結果可知，對于測量點S1，由初始裂紋從0.1 mm 擴展到臨界裂紋深度=7.82 mm 時，該測量點鋼筋承受應力不超過179 MPa 的條件下，該部位結構剩余壽命為252a，其他測量點處結構剩余壽命同理可得.設定該橋梁安全系數為1.5，在不計其他因素的影響情況下，沅水大橋在設計年限內不會發生疲勞損壞，在此以后，若橋梁仍處于使用狀態，可采用上述方法對橋梁重新進行疲勞損傷及壽命評估分析。

四、結語

本文在傳統分析典型混凝土橋梁疲勞損傷及剩余壽命預測的基礎上，提出一種基于斷裂力學為基礎的混凝土橋梁疲勞損傷及剩余壽命的評估方法.該方法根據變幅應力頻譜計算混凝土橋梁的疲勞壽命，并建立等效疲勞車模型.在此基礎上，提出基于斷裂力學的混凝土橋梁疲勞損傷及壽命評估，最后以湖南省常德市沅水大橋為工程實例，根據前期實驗數據，結合本文的理論分析，斷裂力學方法在進行典型混凝土橋梁研究中表現出良好的可信度，是一種非常有研究價值的混凝土橋梁疲勞損傷和剩余壽命的研究評估法.但由于測量點的布置有限，以及影響混凝土橋梁疲勞損傷及壽命的因素較多，混凝土橋梁疲勞損傷及壽命的正確評估與分析還有待進一步研究。