斷裂力學在橋梁工程中的應用

【摘 要】 隨著交通量的增大、荷載的增加，大多數舊橋都面臨著帶裂縫工作的問題，傳統的強度理論無法分析帶裂紋構件的強度，對于裂紋的發展機理和斷裂破壞形式的研究愈加重要，斷裂力學在橋梁帶裂縫工作的分析應用變得十分關鍵。本文通過論文綜述的方式，敘述了橋梁工程中的斷裂力學，從橋梁中混凝土和鋼兩個方面，對裂紋的發展機理進行分析，以便對斷裂力學有更加深刻的理解。

【關鍵詞】 斷裂力學 橋梁工程 混凝土 鋼

1前言

隨著我國橋梁技術的不斷發展，橋梁建設速度加快，橋梁數量以每年2～3萬座的速度不斷增加。國內早期修建的橋梁，由于環境、時間以及交通荷載等因素的影響，不斷出現各種橋梁病害，混凝土裂縫、鋼結構裂縫以及腐蝕等，對橋梁的承載能力和正常使用都帶來了嚴重的威脅。在我國，鋼筋混凝土橋梁的數量最多，該類橋梁主要病害是混凝土開裂引起的內部鋼筋腐蝕。目前鋼結構橋梁的數量也在不斷增加，鋼梁的主要病害是疲勞破壞和應力集中處的裂紋，微小的裂縫在長期的荷載作用下，會不斷增長擴大最終成為橋梁破壞的關鍵因素。因此，在對橋梁中的病害進行檢測、分析時，要充分理解裂紋產生和發展的原理，才能從理論上解決問題病害，最終能夠提出合理的加固辦法，確保橋梁的正常使用。

2發展概況

在20世紀20年代，A.A.Griffith提出了斷裂力學中的能量思想，并研究了玻璃等脆性材料中的裂紋擴展問題。但是，并沒考慮裂紋尖端附近的應力和應變，由于研究的是非金屬材料，也沒有考慮塑性變形。后來，E.Orowan進行了修正并計入了塑性變形的影響。Griffith和Orowan的理論是斷裂力學中能量理論的基礎。隨后，G.R.Irwin提出了應力強度因子的概念，使脆性斷裂理論取得重大突破。因此，線彈性斷裂力學開始建立起來，在近20年廣泛應用于各個領域。但是對于塑性良好的材料，在裂紋擴展前要進入塑性區，線彈性斷裂力學不能分析此類問題，取而代之的便是彈塑性斷裂力學.J.R.Rice提出的J積分法和A.A.Wells提出的COD法是最主要的彈塑性斷裂力學分析方法。我國的斷裂力學起步較晚，但是最近十幾年的發展，取得了較好的成績，為斷裂力學發展作出了貢獻。

3混凝土中的斷裂力學

混凝土是由石料、水泥和水混合攪拌而成的復合材料。由于其材料尺寸、強度的不統一以及生產過程中的不確定性，混凝土具有復雜性和離散性。在生產和養護的過程中，就已經出現了很多內部微裂縫，這些微裂縫主要來自石料表面殘存氣泡形成的微裂縫、水泥石收縮受到骨料約束形成的微裂縫以及水分蒸發時形成的毛細孔道。在斷裂力學中，主要有三種斷裂類型，即為Ⅰ型裂紋、Ⅱ型裂紋和Ⅲ型裂紋，也是由于其加載方式不同引起的。Ⅰ型裂紋為張開型裂紋，裂紋受到垂直于其自身的拉力。Ⅱ型裂紋為滑移型裂紋，裂紋受到沿裂紋方向但相反的力。Ⅲ型裂紋為撕裂型裂紋，裂紋受到垂直于自身但方向相反的力。

在斷裂力學中，當裂紋受載時，越接近裂縫尖端的地方，應力分量越大，當無限接近時，應力都會趨向于無窮大。若應力趨于無窮大，那么構件都會被破壞。但是實際情況中卻可以帶裂縫工作，這顯然于實際不符。因此，應力強度因子的概念被提出來了，它是裂紋端部應力場強度的度量，隨著荷載的增加，強度因子也增加，當荷載到達某一臨界值時，裂紋就會擴展進而發生破壞。若把混凝土材料看成脆性材料，那么就可以運用線彈性斷裂力學來研究。對于受壓混凝土構件，當荷載較小時，內部微裂縫處于穩定期，遠沒有到達臨界應力強度因子;隨著荷載的增大，裂縫發展，但在可控范圍內，當卸載時裂縫就停止發展，處于發展穩定期;當荷載增大到一定程度，裂縫尖端應力急劇增大到達臨界值，裂縫快速發展并貫穿，導致混凝土構件喪失承載力而破壞。

4鋼中的斷裂力學

鋼橋得到廣泛運用，隨著車輛荷載增加，鋼橋的疲勞問題日益嚴重。疲勞破壞是在荷載的反復或交變荷載作用下產生的破壞。破壞過程就是裂紋發展的過程，裂紋的發展分為三個階段：①裂紋的形成，材料微裂紋或焊接缺陷開始沿著與荷載方向成45°的方向發展，通常形成于表面;②裂紋開始擴展，方向開始垂直于荷載方向;③裂紋到達一定程度后快速擴展直到斷裂。現階段，國內外對焊接鋼橋的疲勞評估一般采用兩種方法：①基于S-N曲線和Miner線性累積損傷法則的傳統疲勞分析方法，該方法是基于經驗的方法，需要知道很多舊橋無法得到的荷載譜;②基于斷裂力學的分析方法，裂紋的形成階段和最后的斷裂階段非常短，相比帶裂紋工作時間可以忽略不計，只需測出當時的裂紋情況就可預測構件疲勞壽命，相比前種方法，此方法更加方便簡單，易操作。

在循環加載前，裂紋處于閉合狀態，當荷載增加時，裂紋開始張開，裂紋尖端沿最大剪應力方向開始滑移，繼續增大時，裂紋進一步發展，塑性變形增大使裂紋尖端發生鈍化。反方向加載時，拉應力減小，裂紋開始閉合，尖端開始反方向滑移。但變為壓應力時，裂紋閉合尖端銳化，又回到原來的狀態。因此，每次循環加載都會使裂紋進一步擴展。

5結論

橋梁工程領域中，橋梁結構等大多是以鋼筋混凝土和鋼為建筑材料，運用斷裂力學理論研究混凝土和鋼的裂紋發展機理，可以更加充分理解裂紋的發展情況，更加符合實際，有利于對橋梁等建筑結構進行裂紋分析和加固，對于橋梁檢測和加固都有重要意義。

【參考文獻】

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作者簡介：吳昊（1994--），男，碩士研究生在讀，單位：重慶交通大學，研究方向：鋼混組合橋梁。